Wow.
Danke photonic,
du hast es geschafft das was in einem Semester Halbleiter gelernt habe, anschaulich zu machen.

Zitat :

Die modernen enthalten Halbleiter-Heterostrukturen wie quantum wells, da hat die Flusspannung nichts mehr mit der Energie der Lichtemission zu tun, sondern nur noch mit dem Aufbau der Diode und dem verwendeten Barrierenmaterial.

Was sind Halbleiter-Heterostrukturen? Und warum baut man die ein, senken die nicht den Wirkungsgrad, sie sind ja scheinbar nicht an der Lichterzeugung beteiligt.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: Esko am  9 Okt 2007  2:08 ]

Halbleiter-Heterostrukturen sind in nahezu allen modernen optischen Halbleiterbauelementen zu finden. Bei den III/V - Halbleitern hat man die Möglichkeit durch Mischkristallbildung aus nahezu allen Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe Halbleitermaterialien herzustellen. Dabei kann die Gitterkonstante und die Bandlücke recht frei eingestellt werden.

siehe dazu auch hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/III-V-Verbindungshalbleiter

Diese Strukturen werden mit epitaktischen Methoden gewachsen, hauptsächlich MOVPE und MBE. Wenn man nun ein dünne Schicht (so in der Grössenordnung 5-10 nm) eines Materials mit kleiner Bandlücke zwischen ein anderes Material mit grsserer Bandlücke einbaut, erhält man einen sogenannten quantum well (QW, Quantentopf). Durch die Breite dieses Quantentopfes lässt sich zusätzlich noch die Bandlücke etwas modifizieren da die Lage der Energieniveaus von der Breite (und der Tiefe) des Potentialtopfes abhängen. Diese Dinger werden in Physikvorlesungen meist berechnet, aber keiner spricht darüber dass es eine wichtige technische Relevanz hat...

ein klein bisschen etwas findet sich dazu auch hier:

http://de.wikipedia.org/wiki/Quantentopf

Ein weiterer Vorteil solcher QWs ist, dass man keine perfekte Gitteranpassung zum Substrat benötigt um einen Versetzungsfreien Kristall zu wachsen, Versetzungen sind in vielen Fällen schädliche Rekombinationszentren. die dünne Schicht kann um mehrere Prozent elastisch verspannt werden, was bei dicken Schichten nicht möglich ist. Das ist wichtig weil bei der Substratwahl Einschränkungen bestehen, man ist hauptsächlich auf die Binären Verbindungen beschränkt, wobei auch nur ein kleiner Teil davon technisch als Wafer verfügbar ist.

Wenn man bei einer LED einen oder meherer solcher QWs in die Rekombinatonszone einbaut führt das dazu dass die Ladungsträger "hineinfallen" und dann von dort miteinander rekombinieren. Einersits hat man so die Kontrolle wo genau in der Struktur das Licht erzeugt wird, was ermöglicht dass man die Eigenschaften des Materials an genau dieser Stelle besonders auf optische Effizienz sowie auf die gewünschte Emissionswellenlänge optimieren kann. Für die Effizienz ist es z.B sehr wichtig dass nur sehr wenige Defekte vorliegen an denen nichtstrahlende Rekombination auftritt.

Durch die Beschränkung der Ladungsträgerrekombination auf eine geringe Anzahl Zustände (verglichen mit massivem Material) erreicht man auch eine hohe Besetzungsdichte, was bei Laserdioden z.B wichtig ist um eine Inversion zu erreichen. Die Effizienz von LEDs wird dadurch auch erhöht, Effizienz bedeutet möglichst viel Licht und möglichst wenig nichtstrahlende Rekombination. Es ist nie möglich alle nichtstrahlenden Rekombinationszentren zu vermeiden, man kann nur versuchen so wenige davon einzubauen wie möglich. Die nichtstrahlende Rekombination über Defektzustände skaliert proportional zur Ladungsträgerdichte, die strahlende Rekombination hingegen ist proportional zum Quadrat der Ladungsträgerdichte. Somit erhält man einen Vorteil aus der hohen Ladungsträgerdichte die sich mit den QWs erzielen lassen.

Diese Vorteile erkauft man sich durch einen Quantendefekt, die Energiedifferenz zwischen dem QW und dem umgebenden Barrierenmaterial ist verloren. Daher versucht man die Wände des Potentialtopfes nicht höher zu machen als notwendig. Dieser Verlust ist allerdings weit weniger Schlimm als die Vorteile die man aus der Anwendung solcher Strukturen bekommt.

Neben einfachen LEDs und Laserdioden können mit Halbleiter-Heterostrukturen noch sehr viele weiter interessante Bauteile hergestellt werden, mit zum Teil sehr hoher Komplexität. In jüngerer Zeit werden auch Heterostrukturen auf SiGe- Basis immer interessanter, es ist z.B möglich daraus einen Quantenkaskadenlaser zu bauen:

http://www.sp.phy.cam.ac.uk/~SiGe/S......html

Alles in allem sind Halbleiter-Heterostrukturen eine riesige hochinteressante Spielwiese...

Das hab ich noch ganz vergessen zu schreiben:

Eine wichtige Ursache warum QWs effizienter sind als ein gleichartiger Volumenkristall liegt auch ganz einfach daran, dass die Anzahl Defekte mit denen die Ladungsträger wechselwirken können geringer sind, weil das betreffende Kristallvolumen so klein ist.

Hey,
vielen Dank für die tolle Erklärung. Hatte es schon aufgegeben, dass ich hier noch eine Antwort bekomme. Habs jetzt denke ich schon fast verstanden. Muss deinen Text einfach noch ein paar mal durchlesen :).

Zitat :

Diese Diffusionsspannung ist mit einem Spannungsmesser nicht messbar, da auch an den Anschlusskontakten zum Halbleiter Spannungen aufgebaut werden die den Effekt komplett kompensieren. Was messbar ist ist die Vorwärtsspannung der Diode, indem du eine I-V Kennlinie aufnimmst. Diese Spannung entspricht bei einer ordentlich gebauten p-n Diode so in etwa der Bandlückenenergie (meist etwas niedriger).

Was meinst du mit Vorwärtsspannung? Die Spannung, die man anlegt, damit die Diode leuchtet?
Ich wollte Ud bestimmen, indem ich die I-U Kennlinie zeichne und beim linearen Teil eine Tangente anlege. Da, wo die Tangente die U-Achse schneidet habe ich ja dann Ud wegen I=(U-Ud)/R. R ist halt der Widerstand der Diode.

Zitat :

Das Plancksche Wirkungsquantum anhand der Vorwärtsspannung und Wellenlänge einer LED abzuschätzen ist kritisch, nimm dazu unbedingt eine uralte billige LED, ab besten eine GaAs Infrarotdiode. Die modernen enthalten Halbleiter-Heterostrukturen wie quantum wells, da hat die Flusspannung nichts mehr mit der Energie der Lichtemission zu tun, sondern nur noch mit dem Aufbau der Diode und dem verwendeten Barrierenmaterial.

Ich wollte eigentlich Superhelle LED's nehmen, damit ich auch vernünftig die Wellenlänge bestimmen kann, was ich mit einem Gitter machen wollte. Meinst du nicht, dass das funktioniert?

Die Vorwärtsspannung ist die Spannung bei bei der LED anliegt wenn sie lauchtet, ja. Durch die Tangente an die I/V Kennlinie kannst du diese messen, und damit eine Abschätzung für die Diffusionspannung am Übergang erhalten. Das setzt aber voraus dass die Kontakte am Halbleiterchip ideal ohmsch sind, man versucht das zwar so gut wie möglich hinzubekommen, ist aber bei III/V Halbleitern nicht ganz einfach, vor allem bie den Nitriden wie GaN, AlGaN, und AlN wie sie bei superhellen blauen, grünen und weissen LEDS eingesetzt werden. Durch die Nichtidealität der Kontakte bekommst du einen gewissen Messfehler.

Diese modernen superhellen LEDs enthalten wie schon gesagt sogenannte Quantenwellstrukturen, wobei die Ladunsträgerinjektion ins Bauelement und die Lichtemission in verschiedenen Materialien stattfinden und deshalb kein direkter Zusammenhang zwischen der Diffusionsspannung und der Photonenenergie besteht. Wenn du eine superhelle verwendest kannst du zwar das Spektrum einfacher messen, aber daraus über die Flusspannung nicht h abschätzen. Mit einer roten sollte das schon zu schaffen sein, oder auch mit einer IR-Fernbedienugs-LED, die sind sehr "hell". Um das Beuguugsspektrum zu messen nimmst du anstelle eines Schirms und Beobachtung von Auge z.B eine Fotodiode mit einem schmalen Schlitz davor, eine übliche Digitalkamera ist auch geeignet um bei Infrarot den Schirm zu fotografieren, evtl musst du etwas länger belichten.

Eine kleine Einführung in QW-Strukturen gibt es hier (englisch):

http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/C.....s.pdf

Empfehlenswert sind deshalb alte ineffiziente LEDs, die noch einen homogenen p-n Übergang enthalten. Rote und Infrarote LEDS sind dafür besonders geeignet, aber z.B nicht die alten grünen, da werden auch wieder elektronische Schweinereinen veranstaltet, in stickstoffdotiertem GaP...

Hallo, ich bins mal wieder.
Mich hätte nur interessiert, ob der Schaltkreis, zum ermitteln der Diodenkennlinie so passt. Ich würde ein Voltmeter immer parallel zur betrachteten Diode schalten und ein Amperemeter in den Kreis mit Diode und Widerstand. Man müsste halt dann das Voltmeter immer umstöpseln, wenn man eine andere Diode betrachtet.
Ich würde mich sehr über Kritik freuen.

Zitat :

ch würde ein Voltmeter immer parallel zur betrachteten Diode schalten

Das kannst du tun und es ist zweckmäßig, solange du Diodenströme in der Größeordnung von wenigstens etlichen Mikroampere misst.
Die ensprechenden Gesetze gelten aber auch für viel geringere Strome, und dann ist es zweckmäßiger das Voltmeter vor dem Amperemeter anzuschliessen.
Durch ein Voltmeter mit 10MOhm Innenwiderstand fliessen bei 0,5V immerhin 50nA und dann wird es schwer im pA-Bereich noch etwas zu messen.

Bie Messungen, die wesentlich über 10mA hinausgehen, können die Spannungswerte auch schon durch die Eigenerwärmung des Prüflings verfälscht werden.


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Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

Danke für deine schnelle antwort. Du würdest also bei niedrigen Spannungen das Voltmeter parallel zu Diode und Amperemeter schalten?
Also könnte ich meine Schaltung so lassen,da ich ja vor allem die Durchlasspannung will und dafür brauche ich ja vor allem den Teil der Kennlinie, der größere Spannungen enthält.

Guten Abend

Auch ich soll ein Experiment zur Bestimmung von h mit LED durchführen. Ich habe das Experiment zuerst bei Zimmertemperatur mit verschiedenen LED durchgeführt, unter anderem mit einer blauen. Die für h berechneten Werte waren stets zu klein, was sehr wahrscheinlich daran liegt, dass h*f etwas grösser ist als U*d, wie es in geeigneten Darstellungen ersichtlich wird. Bei der blauen und der UV-LED jedoch wurden die Werte für h zu gross. Liegt das daran, dass bei diesen LED die Valenzbandkante der p-Seite einfach oberhalb statt unterhalb der Leitungsbandkante der n-Seite liegt, oder gibt es andere Gründe?

Dann habe ich noch eine zweite Frage: Ich habe an verschiedenen Orten gelesen, dass die Diffusionsspannung an den Kontakten einer LED nicht gemessen werden kann, da sich an den Anschlüssen Kontaktspannungen bilden, welche die Diffusionsspannung aufheben. Könnte mir das jemand genau erklären?

Freundliche Grüsse

donni313

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