Bandlückenverschiebungen

Der Bandlückenversuch ist ein Lehr- oder Forschungsexperiment in der Festkörperphysik, mit dem die Bandlücke eines Halbleiters bestimmt wird. Ziel ist es, die energetische Differenz zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband zu quantifizieren, die für optische Anregungen erforderlich ist.

Grundlage ist das Verhalten von Licht in Halbleitern. Thermisch oder optisch angeregte Elektronen können nur dann vom Valenzband in das Leitungsband wechseln, wenn die Photonenergie hν größer oder gleich der Bandlücke Eg ist. In Abhängigkeit vom Typ des Übergangs (direkt oder indirekt) zeigen sich bei der Absorption charakteristische Muster, die aus Messdaten abgeleitet werden können. In schulischen und many university-Experimenten wird jedoch häufig eine vereinfachte Bestimmung verwendet, indem man die energetische Grenze der Absorption oder der Photostromantwort bestimmt.

Aufbau und Durchführung erfolgen typischerweise mit einer Lichtquelle oder einem Spektralrezeptor, einem Monochromator, einem Probenträger und einem Detektor (z. B. Photodiode). Die Probe wird durchstrahlt oder beleuchtet, der absorbierte oder fotoerzeugte Signalanteil wird gemessen, während die Wellenlänge des Lichts variiert wird. Aus dem Verlauf der Signalstärke gegen Photonenenergie lässt sich die Grenzwellenlänge λg ermitteln, die zu Eg ≈ hc/λg führt. Für eine genauere Auswertung verwendet man oft den sogenannten Tauc-Plot, bei dem (αhν)^n gegen hν geplottet wird und die Gerade zur x-Achse extrapoliert wird; n hängt vom Übergangstyp ab.

Typische Anwendungen umfassen die Bestimmung der Bandlücke von Silizium, GaAs oder anderen Halbleitern. Der Bandlückenversuch liefert eine anschauliche Methode, die Energetik des Halbleiters mit praktischen Messgrößen zu verknüpfen, ist aber anspruchsvoll gegenüber Materialreinheit und Oberflächenbeschaffenheit.

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