Techniklexikon

Exziton

Festkörperphysik, angeregter Zustand im Elektronensystem von Halbleitern und Isolatoren, der mit der Bildung eines Elektron-Loch-Paares zusammenhängt. Die Anregung eines Elektrons im Festkörper lässt am angeregten Atom bzw. im Valenzband ein Loch zurück, dessen positive Ladung infolge der Coulombschen Anziehungskraft das angeregte negativ geladene Elektron anzieht. Elektron und Loch bewegen sich nicht unabhängig, sondern als gemeinsames Gebilde durch den Festkörper und können dabei Anregungsenergie, nicht aber Ladung transportieren. Ein Exziton ist demnach ein beweglicher Anregungszustand, der sich als Welle (Polarisationswelle) im Kristall ausbreiten kann.

Bei der Beschreibung der Struktur der Exzitonen unterscheidet man zwei Grenzfälle: einen von J. I. Frenkel angegebenen Fall und einen von N. Mott und Wannier betrachteten Fall. Die Abbildung veranschaulicht diese beiden Fälle.

Bei einem Frenkel-Exziton ist der angeregte Zustand auf die Nähe eines Ions oder Moleküls lokalisiert, d.h., Elektron und Loch befinden sich in der Nähe des gleichen Gitterpunktes. Da jeder Anregungszustand äquivalent, d.h. »in Resonanz« mit Anregungszuständen ist, die an anderen Gitterpunkten lokalisiert sind, kann sich der Anregungszustand von einem Gitterpunkt zum anderen fortpflanzen. Der tatsächlich vorliegende Anregungszustand wird infolge der Translationssymmetrie des Kristalls den Charakter einer Welle mit einem bestimmten Ausbreitungsvektor haben. Infolge des geringen Abstandes des Elektrons vom Loch (kleiner Exzitonenradius) ist die Bindung des Frenkel-Exzitons relativ stark. Frenkel-Exzitonen werden vor allem in Alkalihalogeniden und Molekülkristallen beobachtet.

Wannier und Mott betrachteten den anderen Grenzfall, bei dem sich ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband eines Halbleiters zu einem gemeinsamen Gebilde zusammenfinden, wobei der Radius des Exzitons gross ist im Vergleich zur Gitterkonstanten und das Exziton folglich vergleichsweise schwach gebunden ist (Wannier-Mott-Exziton). Das System hat dann starke Ähnlichkeit mit einem Wasserstoffatom, noch mehr aber mit einem Positroniumatom, das aus einem Positron und einem Elektron besteht und in ein Dielektrikum eingebettet ist. Wannier-Mott-Exzitonen werden in erster Linie in Element- und Verbindungshalbleitern beobachtet. Die Existenz von Exzitonen zeigt sich in einer Vielzahl von optischen Erscheinungen in Halbleitern und Isolatoren, am überzeugendsten ist das Auftreten von Linien in der optischen Absorption und Emission. Daneben spielen Exzitonen auch eine Rolle bei der Photoemission aus Isolatoren und in der Photoleitung.

Exziton: a) Frenkel-Exziton, b) Wannier-Mott-Exziton. e Elektron, Å durch optische Anregung verbliebene positive Ladung. In beiden Fällen kann das Exziton als Welle durch den Kristall wandern.