Techniklexikon

Photoleitung

Elektronik, Halbleiterphysik, Änderung der elektrischen Leitfähigkeit eines Festkörpers unter Absorption von elektromagnetischer Strahlung. Der Effekt ist schon sehr lange bekannt und wurde bereits 1875 von W. von Siemens für des Bau des ersten Lichtstärkemessgerätes genutzt. Er beruht im Prinzip darauf, dass Elektron-Loch-Paare und somit freie Ladungsträger erzeugt werden. Bei kontinuierlicher Bestrahlung stellt sich zwischen Erzeugung und Rekombination ein Gleichgewicht ein, wobei der Einfluss von Störstellen auf die Rekombination von grosser Bedeutung ist. Da in einem realistischen Modell im allgemeinen sehr viele Übergangsarten - die selbst stark von der Ladungsträgerkonzentration abhängen können - berücksichtigt werden müssen, erhält man für die Photoleitfähigkeit  meist komplizierte Funktionen. Charakteristisch für die Grundgitterphotoleitung ist eine starke Erhöhung bei Annäherung der Photonenenergie  an die Bandkante, in deren Bereich sich dann das Maximum von  befindet. Bei weiter steigendem  fällt  wieder, da dann auf Grund der steigenden Absorption die Erzeugung nahe der Oberfläche stattfindet, wo schnelle Oberflächenrekombinationsvorgänge die Lebensdauer stark verringern. Weiterhin können noch einzelne Maxima bei kleineren Energien als die der Energielücke auftreten, die durch Aktivierung flacher Störstellen hervorgerufen werden (Störstellenphotoleitung).

Die Abhängigkeit der Photoleitfähigkeit von der Bestrahlungsintensität  zerfällt meist in mehrere Bereiche der Art . Bei geringem  ist die Ladungsträgerdichte so gering, dass Rekombination fast ausschliesslich über die Störstellen erfolgt, was zu einem linearen Ansteigen von  führt. Nach einem unterlinearen Bereich  folgt der Hochanregungsbereich, in dem die direkte Rekombination von Elektron-Loch-Paaren überwiegt, was zu einem wurzelförmigen Ansteigen  führt. Bemerkenswert ist, dass sich zwischen linearem und unterlinearem Bereich auch ein überlinearer Bereich  einfügen kann. Dies tritt dann auf, wenn die Konzentration von Löcherhaftstellen wesentlich grösser als die der Rekombinationszentren ist. Dann bleibt zunächst noch die direkte Rekombination gering, während gleichzeitig die Störstellenrekombination gesättigt wird.

Bei Halbleitern, bei denen am -Punkt Valenzbänder verschiedener Krümmung zusammentreffen, kann die besondere Situation eintreten, dass durch Photonenabsorption ein schweres Loch hoher effektiver Masse und geringer Beweglichkeit einen Übergang zum split-off-Band durchführt. Obwohl die Beweglichkeit eines solchen abgespaltenen Loches im allgemeinen um eine Zehnerpotenz über der eines schweres Loches liegt, bleibt der Beitrag zur Photoleitung in der Regel gering, da die Lebensdauer zu kurz ist (< 1 ps).

Photoleitung 1: Änderung der Photoleitfähigkeit einer GaAs-Schicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts.

Photoleitung 2: Schematische Abhängigkeit der Photoleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Intensität des eingestrahlten Lichtes.