Leuchtdioden-Rekombination unendlich?
Bei einer Leuchdiode treffen die Elektronen des n-Leiters und die Defektelektronen des p-Leiters aufeinander. Bei dieser Rekombination wird Energie in Form von Photonen frei. Meine Frage ist, was mit der Rekombination danach geschieht? Warum werden die Defektelektronen ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht aufgebraucht? Was passiert mit denen?
Danke schonmal :)
2 Antworten
Du hast ja an beiden Seiten der Diode eine Spannung angeschlossen. Auf der Seite des p-Gebietes eine positive Spannung, die "zieht" die Elektronen zu sich. Die rekombinierten Elektronen hüpfen dann von Loch (auch Defektelektron genannt) zu Loch bis sie am leitfähigen Material angekommen sind. Dadurch wird wieder Platz in den Löchern für neue Elektronen.
Dieses Hüpfen ist keine Rekombination in dem Sinne - es ist nur eine Weiterbewegung. Das Energieniveau der Elektronen ändert sich dabei nicht mehr, daher entsteht dabei kein Licht.
Zunächst mal zu den Begriffen was denn nun ein Defektelektron ist.
Das Defektelektron ist im Grunde nicht wirklich ein Ladungsträger sondern ein Loch in der Gitterstruktur. Dort fehlt ein Elektron.
Dieses Loch befindet sich aufgrund des Ferminiveaus in Halbleitern immer im Valenzband.
Dem gegenüber liegt das Leitungsband in welchem die Elektronen sind. Dazwischen ist der sogenannte Band Gap, also ein Energiebereich in welchem keine Elektronen sind.
Die Leitung der Defektelektronen funktioniert nun so, dass ein Elektron im Valenzband in ein Loch springt und dadurch wird ein neues Loch frei, das Elektron überschreitet dabei aber nie die Bandkante. Die Elektronen im Leitungsband sind delokalisiert und frei beweglich.
Das was man also als Defektelektronenstrom bezeichnet ist ein Elektronenstrom in die andere Richtung im Valenzband und der Elektronenstrom ist im Leitungsband.
Die Rekombination ist nun der Sprung eines Elektron aus dem Leitungsband in das Valenzband. Sie überrschreiten dabei die Band Gap und geben ihre Energie ab, was bei optischen direkten Halbleitern dann Photonen im sichtbaren Bereich sind.
Das was also passiert ist, das ein Elektron im Leitungsband daher kommt, anschließend im p Gebiet Rekombiniert und dann im Valenzband wieder aus dem Halbleiter raus wandert.
Es gibt keine Stelle an welcher eine Band Gap entsteht, sondern das vorhandensein so einer ist eine Eigenschaft welche einen Halbleiter auch erst im elektrischen Sinne zu einem Halbleiter macht.
wenn keine Spannung anliegt doch die Sperrschicht
Ja die Sperrschicht bildet sich durch Ladungsträgerdiffusion am PN Übergang. Allerdings ist das nicht so, dass hier keine Rekombination stattfindet. Eine Rekombination findet ständig statt, bei der Sperrschicht herscht für gewöhnlich ein Gleichgewicht aus Diffusionsstrom und Rekombinationsstrom, daher ist die Sperrschicht nicht statisch und aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Diffusion selbst auch Temperaturabhängig.
die dann durch die Spannung aufgelöst wird
Ja.
indem die Elektronen ber aus den Rekombinationen weiter wandern
Das verstehe ich nicht ganz. Was soll bedeuten sie wandern aus Rekombination weiter? Sobald die Elektronen im Valenzband sind sind sie Rekombiniert, eine Bewegung innerhalb des Valenzbandes, also ein Löcherstrom wird nicht Rekombination genannt, weil dabei die Band Gap nicht überschritten wird.
und Platz für neue Elektronen und Löcher zum Rekombinieren in schaffen
Ja kann man so sehen. Die Elektronen und Löcherdichte bleibt immer annähernd gleich, wäre das zB nicht so und das Valenzband voll gefüllt wodurch Elektronen nur mehr im Leitungsband wandern und es eigentlich keinen Löcherstrom im Valenzband gibt spricht man von einem entarteten Halbleiter, weil dieser ab dieser Stelle metallische Eigenschaften hat und die Halbleitereigenschaften verliert.
Ist der Diffusionsstrom nicht im Endeffekt das selbe wie der Rekombinationsstrom? Vielen Dank schonmal auf jeden Fall
Nein. Als Diffusionsstrom bezeichnet man das wandern von Majoritätsladungsträger in die jeweilgen Minoritätsgebiete aufgrund von Temperatur und anderer ungerichteter Effekte.
Die Ladungsträger bewegen sich ja immer aufgrund von Temperatur und wandern daher auch begrenzt hin und her. Wenn nun zB ein Elektron von einem n Gebiet in ein p Gebiet wandert oder ein Loch von einem p Gebiet in ein n Gebiet und der Grund der Ursache keine externe Kraft sondern zB rein die Temperatur war dann bezeichnet man das als Ladungsträgerdiffusion bzw als Diffusionsstrom. Sprich ein wesentlicher Faktor für diesen Namen ist, dass das Elektron zwischen zwei Gebieten mit unterschiedlichen Elektronendichten wandert.
Der Grund warum das stattfindet lässt sich allgemein meist so deuten, dass die Natur keine steilen Übergänge mag, daher wandern Elektronen ins p Gebiet um den Elektronenmangel auszugleichen. Dem wirkt am Ende dann nur das Elektrische Feld entgegen welches sich bildet und dessen Gebiet dann als Sperrschicht bezeichnet wird.
Als Rekombinationsstrom bzw Ladungsträgerrekombination bezeichnet man den Wechsel von einem Elektron im Leitungsband in das Valenzband.
Bei der Diffusion wird damit die Band Gap bzw Bandlücke wie es auf Deutsch heißt nicht überschritten, bei der Rekombination wird sie aus Richtung des Leitungsbandes zum Valenzband hin überquert.
Natürlich versucht die Temperatur nicht nur die Diffusion sondern auch die Ladungspaarerzeugung wobei hier ein Elektron aus dem Valenzband über die Bandlücke ins Leitungsband geht, das bezeichnet man aber nicht als Diffusion, weil das Elektron hier eben nicht das Gebiet ändert.
Rekombinationsstrom und Diffusionsstrom sind also nicht gleich aber im statischen Zustand gleich groß.
Kann man denn nicht das Leitungsband mit dem n-Gebiet und das Valenzband mit dem p-Gebiet gleichsetzen?
In wie weit gleichsetzen?
Sowohl im p als auch im n Gebiet gibt es ein Leitungs und ein Valenzband und die sind natürlich unterschiedlich.
Der Unterschied zwischen den Gebieten ist dass im normal Zustand (ohne externe Spannungen) die Elektronendichte im n Gebiet höher ist als beim nicht dotierten Halbleiter und im p Gebiet ist die Löcherdichte höher.
Im n Gebiet gibt der Donator eben Elektronen ans Leitungsband ab und im p Gebiet nimmt der Akzeptor Elektronen aus dem Valenzband auf und erzeugt so Löcher.
Das bedingt natürlich auch ein anderes Ferminiveau in den Gebieten.
Ok. Also bei mir in der Aufgabe steht geschrieben "Leitungsband(n-dotiert) und Valenzband(p-Dotiert)". Aber es sind beide Dorierungen in beiden vorhanden? Habe ich dann vielleicht eine vereinfachte Darstellung? Ich gehe in die 12. Klasse.
Worauf bezieht sich diese Aussage genau denn so wie sie hier steht ist sie nicht vereinfacht sondern schlichtweg falsch.
Die Aussage würde nur stimmen wenn man damit sagen will auf welcher Band die Dotierung primär wirkt.
Eine p Dotierung sorgt für die Ladungsträger erzeugung (Löcher) im Valenzband und die n Dotierung sorgt für eine Ladungsträgererzeugung (Elektronen) im Valenzband.
Aber das p Gebiet wird niemals als ganzes als Valenzband bezeichnet und n Gebiet nicht als Leitungsband.
Die Aussage kann sich natürlich auch auf das Band beziehen in welchem der Majoritätsladunsgträger Strom fließt. Sprich im p Gebiet fließt im allgemeinen der Strom im Valenzband und im n Gebiet fließt er im Leitungsband, allerdings ist das natürlich durchaus vereinfacht, denn es existiert auch ein Minoritätsladungsträgerstrom und der ist zB dann für den Transistor wichtig.
Ja, dann ist da was falsch ausgedrückt worden. So wie ich Sie jetzt verstanden habe, gibt es vorerst eine Dotierung, welche dazu führt, dass im Leitungsband durch die Einbindung V-wertiger Atome freie Elektronen und ortsfeste, positive Atomrümpfe entstehen und im Valenzband durch III-wertige Atome freie Defektelektronen und ortsfeste, negative Atomrümpfe. Durch die Diffusion (Wärmebewegung, Ladungskonzentrationsausgleich) fließen im nicht angeregten Zustand die freien Elektronen von n-Gebiet (Leitungsband) zu p-Gebiet (Valenzband), was dann zur Folge hat, dass nun auf dem Leitungsband eine positive Ladung entsteht, sozusagen durch die entzogenen Elektronen ein p-Gebiet und das Umgekehrte auf dem Valenzband. So bildet sich seine innere Spannung, die dafür sorgt, dass die Elektronen entgegengesetzt der Diffusion von Valenzband zu Leitungsband und die zurückfließen. Das ist dann aber ein Rekombinationsstrom, weil es durch eine äußere Kraft, die Ladungsdifferenz der Bänder, bedingt ist. Und so rekombinieren sich die Elektronen durchgängig hin und her? Müsste es dann nicht durchgehend leuchten, wenn dort durchgängig diese Ströme laufen?
was dann zur Folge hat, dass nun auf dem Leitungsband eine positive Ladung entsteht, sozusagen durch die entzogenen Elektronen ein p-Gebiet und das Umgekehrte auf dem Valenzband.
Nein hier vertauscht du wieder die Namen n-Gebiet und Leitungsband. Das Leitungsband ist nicht das n Gebiet.
Hier muss stehen im n Gebiet bildet sich eine positive Raumladungszone und im p Gebiet bildet sich eine negative Raumladungszone.
Nur weil die Elektronen in das p Gebiet gehen oder die Löcher ins n Gebiet überqueren die nicht einfach die Bandlücke. Also die Elektronen aus dem n Gebiet bleiben zunächst auch im Leitungsband, auch wenn sie im p Gebiet sind, sie sind dann eben im Leitungsband im p Gebiet. Irgendwann Rekombinieren die dann eben aber erst hier überschreiten sie Bandlücke.
Nochmal Rekombination ist etwas anderes als Diffusion.
So bildet sich seine innere Spannung, die dafür sorgt, dass die Elektronen entgegengesetzt der Diffusion von Valenzband zu Leitungsband und die zurückfließen.
Auch hier stimmts nicht. Elektronen können maximal zwischen Valenzband und Leitungsband springen, sie können aber zwischen n und p Gebiet fließen.
Die Spannung die sich bildet wirkt der Diffusion entgegen und stabilisiert das ganze.
Das ist dann aber ein Rekombinationsstrom, weil es durch eine äußere Kraft, die Ladungsdifferenz der Bänder, bedingt ist.
Auch das stimmt nicht. Der Wechsel von p nach n und n nach p ist kein Rekombinationsstrom.
Müsste es dann nicht durchgehend leuchten, wenn dort durchgängig diese Ströme laufen?
Jein.
Das was hier jetzt entscheident ist, ist die Mechanismen wie das leuchten überhaupt entsteht. Sobald ein Elektron in das p Gebiet wandert wird es irgendwann Rekombinieren, bei leuchtenden pn Übergängen geht das sehr rasch. Wenn das Elektron Rekombiniert gibt es ein Photon ab, das bezeichnet man dann als spontane Emission.
Allerdings kann ein Elektron im Valenzband auch ein Photon aufnehmen und ins Leitungsband gehen und das nennt man Absorbtion. Im Normalfall ist es so, dass die Emission gleich Wahrscheinlich ist wie die Absorbtion. Also sobald ein Elektron rekombiniert nimmt ein Elektron im Valenzband die Energie auf und geht ins Leitungsband, das Photon verlässt den Halbleiter also nicht. (Daher ist es auch wichtig zu wissen, dass es überall ein Valenz und Leitungsband gibt, sonst könnte man ja behaupten im p Halbleiter muss das Photon aber weg können weil es gibt kein Leitungsband aber das ist wie oben gesagt falsch es gibt auch im p Gebiet ein Leitungsband).
Ein externer Stromfluss sorgt nun dafür, dass sich das Gleichgewicht verteilt und die spontane Emission wahrscheinlicher wird als die Absorbtion. Damit werden mehr Photonen emittiert als absorbiert und darum leuchtet die Diode.
Der Grund warum das passiert ist weil der Stromfluss dazu führt, dass Minoritätsladungsträger injiziert werden die dann Rekombinieren, ohne diese Injektion ist die Emission und Absorption stets ausgeglichen.
Btw hier noch eine Grafik zum Leitungs und Valenzband:
https://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter#/media/Datei:Energy_band_model_(DE).svg
und hier der PN Übergang:
https://www2.physki.de/PhysKi/index.php/Datei:Pnuebergang2.jpg
Wie du siehst ist in beiden Gebieten ein Valenz und ein Leitungsband vorhanden, sie haben aber einen Energieunterschied und dieser Energieunterschied äußert sich in dieser Spannung.
https://studyflix.de/elektrotechnik/diode-2562
Solche Erklärungen finde ich halt meistens. Da hört der Ladungsträgerfluss ab einem bestimmten Moment auf. So entsteht die Raumladungszone. Aber in Wirklichkeit heben sich Photenenabsorption und Photonenemission nur auf und die Elektronen springen von Band zu Band?
Praktisch gesagt kann man schon sagen, dass sobald die Raumladungszone gebildet ist kein Nettostromfluss mehr stattfindet. Das ist im großen und ganzen auch Richtig aber vereinfacht.
In Wirklichkeit heben sich Diffusion, Auslösen von Elektronen und Rekombination gegenseitig auf. Also sobald ein Elektron (oder Loch) Rekombiniert kommt ein anders von irgendwo daher.
Das passiert logischerweise überall selbst in nichtdotieren Halbleitern ist das am Ende der Fall.
https://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter#Physikalische_Grundlagen
Das Bild zum Bändermodell
also ein n-Gebiet ist nicht etwas n-dotiertes, sondern ein Gebiet wo freie Elektronen sind? und p-Gebiet etwas wo freie Defektelektronen sind?
Nein das n Gebiet ist schon der Bereich der n dotiert ist.
Das selbe gilt auch für das p Gebiet.
Das n Gebiet ist aber nicht das Leitungsband. Das Leitungsband ist überall im Halbleiter egal ob n oder p Gebiet.
An der Stelle der Band Gap entsteht, wenn keine Spannung anliegt doch die Sperrschicht, die dann durch die Spannung aufgelöst wird, indem die Elektronen ber aus den Rekombinationen weiter wandern und Platz für neue Elektronen und Löcher zum Rekombinieren in schaffen.