Sebastian Imhof

Mikroskopische Theorie der optischen Eigenschaften indirekter Halbleiter-Quantenfilme

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Kurzfassung in Deutsch

Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben.
Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen.
Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.

weitere Metadaten

Schlagwörter
(Deutsch)
Mikroskopische Theorie, Indirekte Halbleiter, Germanium, Silizium, optische Eigenschaften, Halbleiter-Bloch-Gleichungen, Quantenfilme, phononassistierte Absorption, 30-Band k.p-Theorie, Nichtgleichgewichtseigenschaften, Silizium-Photonik
Schlagwörter
(Englisch)
microscopic theory, indirect semiconductors, Germanium, Silicon, optical Properties, Semiconductor-Bloch-Equations, quantum wells, phonon-assisted absorption, 30-band k.p-theory, non-equilibrium, silicon-photonics
SWD SchlagworteOptische Eigenschaft, Siliciumhalbleiter, Quantenwell
DDC Klassifikation539
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Naturwissenschaften
ProfessurTheoretische Physik - Simulation neuer Materialien
BetreuerProf. Dr. Angela Thränhardt
GutachterProf. Dr. Angela Thränhardt
Prof. Dr. Hans Christian Schneider
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)12.10.2011
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung19.12.2011
Veröffentlichungsdatum (online)01.02.2012
persistente URNurn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-81928

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