Semiconductor Materials for Energy Applications - Cheatsheet

Elektronische Bandstrukturen in Halbleitermaterialien

Definition:

Elektronische Bandstrukturen von Halbleitern beschreiben die Energiezustände, die Elektronen einnehmen können, und die Lücken dazwischen.

Details:

• Valenzband: Energiezustände, die bei Temperatur Null vollständig mit Elektronen gefüllt sind.
• Leitungsband: Energiezustände, die Elektronen durch thermische oder energetische Anregung erreichen können.
• Bandlücke (\textit{E_{\text{g}}}): Bereich ohne erlaubte Energiezustände zwischen Valenz- und Leitungsband.
• Direkte Bandlücke: Elektronen können ohne Impulsänderung vom Valenz- ins Leitungsband wechseln.
• Indirekte Bandlücke: Elektronenwechsel erfordert eine Impulsänderung, oft durch Phononen.
• Beispiel: Si (indirekt, \textit{E_{\text{g,\text{Si}}}} = 1,1 eV); GaAs (direkt, \textit{E_{\text{g,\text{GaAs}}}} = 1,42 eV).

Dotierungsmethoden und deren Auswirkungen auf die Leitfähigkeit

Definition:

Verfahren zur Einführung von Fremdatomen in Halbleiter, um deren elektrische Eigenschaften zu ändern.

Details:

• n-Dotierung: Einführung von Donatoren (\textit{z.B. P}) erhöht die Anzahl der freien Elektronen \rightarrow Leitfähigkeit steigt
• p-Dotierung: Einführung von Akzeptoren (\textit{z.B. B}) erhöht die Anzahl der Löcher \rightarrow Leitfähigkeit steigt
• Dotierkonzentration beeinflusst das Fermi-Niveau \rightarrow n-dotiert: Fermi-Niveau näher an Leitungsband, p-dotiert: Fermi-Niveau näher an Valenzband
• Typische Methoden: thermische Diffusion, Ionenimplantation
• Einfluss auf Halbleiterbauelemente: verbesserte Steuerbarkeit der elektr. Eigenschaften, z.B. in Dioden und Transistoren

Leitungsmechanismen in Halbleitern: Intrinsisch vs. Dotiert

Definition:

Mechanismen zur Elektronen- und Löcherleitung in Halbleitern, entweder durch Eigenleitung oder durch Dotierung mit Fremdatomen.

Details:

• Intrinsic: Leitung durch Ladungsträger, die durch thermische Anregung erzeugt werden. Elektronen-Loch-Paare entstehen im reinen Halbleiter.
• Dotiert: Leitung durch Ladungsträger von eingebauten Fremdatomen. N-Typ (Elektronen von Donatoren), P-Typ (Löcher von Akzeptoren).
• Gibt p-n-Übergänge und Bandlücken in beiden Arten.
• Leitfähigkeit \(\sigma\) für Dotierte höher als für intrinsische.
• Expressions für Leitfähigkeit: \[ \sigma = q(n\mu_n + p\mu_p) \] für intrinsische und \[ \sigma = q(N_d\mu_n) \text{/} q(N_a\mu_p) \] für n- bzw. p-Typ dotierte Halbleiter.

Photovoltaik: Funktionsweise und Effizienzfaktoren

Definition:

Photovoltaik: Umwandlung von Licht in elektrische Energie mittels Solarzellen aus Halbleitermaterialien.

Details:

• Prinzip: Absorption von Photonen erzeugt Elektron-Loch-Paare.
• Photovoltaischer Effekt: Elektronen und Löcher werden durch ein elektrisches Feld getrennt.
• Effizienzfaktoren:
  • Lichtabsorption: Bandlückenenergie (\(E_g\)) des Halbleiters entscheidend.
  • Rekombination: Minimierung von Elektron-Loch-Paar-Verlusten wichtig.
  • Elektrische Eigenschaften: Leitfähigkeit und Kontaktwiderstände optimieren.
  • Temperatur: Höhere Temperaturen können Effizienz verringern.

Epitaxie-Verfahren zur Herstellung von Halbleitern

Definition:

Verfahren zur Abscheidung von kristallinen Schichten auf einem Substrat; entscheidend für die Herstellung von hochwertigen Halbleitermaterialien.

Details:

• Typen: Homoepitaxie (gleichen Materials) und Heteroepitaxie (unterschiedlichen Materials)
• Techniken: Molekularstrahlepitaxie (MBE), Metallorganische chemische Gasphasenepitaxie (MOCVD), Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE)
• Ziele: Kontrolle der kristalline Qualität und Dotierung
• Wichtige Parameter: Wachstumstemperatur, Druck, Gasflussraten
• Anwendungen: Herstellung von Solarzellen, LEDs und Lasern

Nanostrukturierte Halbleitermaterialien: Anwendungen und Vorteile

Definition:

Nanostrukturierte Halbleitermaterialien: Halbleitermaterialien, die auf Nanoskala strukturiert sind, um deren physikalische und chemische Eigenschaften zu verbessern.

Details:

• Verbesserte optische Eigenschaften durch Quantenkonfinierung
• Erhöhte Oberfläche für Katalyse und sensorische Anwendungen
• Erhöhte Effizienz in Solarzellen durch verbesserte Ladungsträgerdynamik
• Anwendung in LEDs, Transistoren und Photovoltaik
• Produktion durch Methoden wie chemische Dampfabscheidung (CVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und elektrochemische Abscheidung

Spektroskopische Methoden zur Charakterisierung von Halbleitern

Definition:

Methoden zur Bestimmung der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien.

Details:

• Photolumineszenz (PL): Analyse der Lichtemission zur Untersuchung von Bandlücken und Defektzuständen.
• Raman-Spektroskopie: Untersuchung von Gittervibrationen und Kristallstruktur.
• Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS): Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Bindungszustände.
• Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS): Analyse der elektronischen Struktur und der Position der Valenzbandkante.
• Infrarotspektroskopie (IR): Untersuchung von Molekülschwingungen und Bindungsarten.