Diffusionslängen

Diffusionslängen bezeichnen in der Physik charakteristische Entfernungen, über die Teilchen oder Ladungsträger beim Diffusionsprozess wandern, bevor sie durch Rekombination oder Reaktion verloren gehen. In Halbleitern sind dies insbesondere die Diffusionslängen der Minoritätsträger, L_n und L_p für Elektronen und Löcher. Ihre Größe bestimmt, wie weit Träger diffundieren, bevor sie rekombinieren, und beeinflusst damit die Ausbeute von Bauelementen wie Solarzellen, LEDs und Photodetektoren.

Die Diffusionslänge ergibt sich oft aus L = sqrt(D tau), wobei D der Diffusionskoeffizient und tau die effektive Lebensdauer der diffundierenden Spezies ist. Der Diffusionskoeffizient hängt von der Mobilität μ via D = μ k_B T / q ab. Die Lebensdauer tau ergibt sich aus Rekombinationsprozessen wie Radiativ-, Auger- oder SRH-Rekombination. In realen Materialien können Grenzflächen, Defekte oder Nanostrukturen die Diffusion zusätzlich beeinflussen.

Messungen erfolgen unter anderem mit zeitaufgelöster Photolumineszenz (TRPL), Transientenphotocurrent/Photovoltage, EBIC (Electron-Beam Induced Current) oder Kathodolumineszenz. Aus Diffusionsprofilen oder aus Generations- und Rekombinationsraten lassen sich L_n und L_p ableiten.

Anwendungen: Die Diffusionslängen limitieren die effektive Dicke von Bauelementen, die Reichweite der erzeugten Träger und damit die Leistung eines Geräts. Sie unterscheiden sich von der optischen Eindringtiefe, die die Absorption von Licht beschreibt.