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Beobachtungen:

Halbleiter

Bei Halbleitermaterialien läßt sich die elektrische Leitfähigkeit steuern.

Wenn das Material äußerst rein ist, leitet es nur sehr schlecht.
Fügt man gezielt Verunreinigungen (Dotierung) dazu z.B. bei Silizium Phosphor, Arsen, dann nimmt die Leitfähigkeit zu.

Ordnet man nun mehrere unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten hintereinander an, dann lassen sich damit Dioden, Transistoren, Thyristoren Leuchtdioden usw. herstellen.

In sehr vielen Fällen benutzt man präzise "Einkristalle" als Ausgangsmaterial für die Fertigung. Bei ihnen sind die Atome über sehr große Bereiche in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet.

Um die teuren Fertigungskosten zu umgehen, verwendet man auch Halbleiterschichten, die aufgedampft wurden.
Die Struktur ist dann in der Regel amorph, d.h. nicht kristallin und die elektrischen Eigenschaften dieser "dünnen Schichten" ist in der Regel schlechter als die von kristallinen.

Abb. 01: Siliziumkristall, Einkristall (FB)

Abb. 02: Siliziumkristall. Einkristall.
Der dünne Stab oben ist ein Keimkristall. An ihm wächst beim Ziehen aus der Schmelze der dicke Kristall heran und übernimmt dessen Orientierung (Ausrichtung der Kristallebenen). (FB)

Abb. 03: Photovoltaic. Viele Kristallite mit unterschiedlicher Ausrichtung (Polykristall) (FB)

Abb. 04: Photovoltaic aus amorphem Material ???????????

Gleichrichter

Abb. 05:
Halbleiterdiode
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/Kennlinie_Diode_1N914.svg/1000px-Kennlinie_Diode_1N914.svg.png

Dotierung

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

Abb. 06: Unterschiedliche Dotierung bei Material mit vier Valenzen pro Atom (in Grafik mit (-) markiert):
n-Dotierung - Fremdatom mit 5 Valenzen (eine zuviel)
p-Dotierung - Fremdatom mit 3 Valenzen (eine zuwenig)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c0/Halbleiter1.PNG/660px-Halbleiter1.PNG

Bandstruktur

Mit dem einfachen "Bändermodell" versucht man, die Vorgänge beim Ladungstransport im Halbleiter zu beschreiben.
Die Ordinate in den Darstellung gibt die Energie an und die Abszisse den Impuls der Ladungsträger.
Bei einem "freien" Ladungsträger würde sich für den Zusammenhang von Energie und Impuls eine Parabel ergeben.
kinetische Energie E = 1/2 mv² Impuls p=mv also wäre E ~ p²
Da sich die Ladungsträger im Halbleiterkristall aber in einer periodischen Anordnung von Atomen befinden, sieht der Zusammenhang anders aus. Es ist eine aus Parabelstücken periodisch zusammengesetzte Kurve, wobei die Parabeln jeweils an den Verbindungsstellen abgeflacht sind. Von dieser Parabelkette zeigt man dann aber nur einen Ausschnitt, nämlich eine einzige Periode.
In den nachfolgenden Diagrammen sind jeweils zwei solche Zusammenhänge zu sehen, die als Grenzkurven wirken und eine "verbotene Zone" (gap) zwischen dem oberen Bereich, dem "Leitungsband" und dem untereren, dem "Valenzband" markieren. Dort wo diese Zone am schmalsten ist (d.h. bei der kleinste Differenzenergie), brauchen die Ladungsträger am wenigsten Energie, wenn sie von dem einen Band in das andere wechseln.

In einem undotierten Halbleiter ist der überwiegende Teil der Ladungen in der Regel im Valenzband und trägt nicht zum Stromfluß bei. Für den Stromfluß braucht man aber Ladungsträger im Leitungsband. Die lassen sich durch Dotierung bei der Herstellung oder Temperaturerhöhung im Betrieb dort hinbringen und so die Voraussetzungen für einen Stromfluß schaffen.

Bei einigen Halbleitern ist das Minimum des Leitungsbandes direkt "gegenüber" vom Maximum des Valenzbandes. (Abb. 07)
In diesem Fall können die Ladunsträger "direkt" d.h. ohne Wechselwirkung mit andern physikalischen Prozessen zwischen dem Minimum und dem Maximum hin- und herwechseln. Beim Weg "nach oben" in das Leitungsband muß Energie hinzugefügt werden, im umgekehrten Fall wird Energie frei.

Es gibt aber auch Halbleiter, bei denen Minimum und Maximum nicht gegenüberliegen, "indirekter Übergang".
Dann ist beim Übergang eines Ladungsträgers ein mechanischer Impuls aus den Schwingungen des Kristallgitters (Gitterschwingungen) beteiligt.
Indirekte Halbleiter sind Germanium, Silizium
Direkte Halbleiter sind Galliumarsenid, Galliumnitrid

Fließt bei einer Diode (Halbleiterübergang, Kombination aus mehreren Schichten) mit indirekten Bandübergang ein Strom, dann treten im Gegensatz zu Halbleitern mit direktem Übergang zusätzliche Gitterschwingungen auf.
Wenn das Material präzise Kristalleigenschaften besitzt, dürften die Gitterschwingungen räumlich geordnet auftreten.

Viele unserer Exerimente sprechen dafür, daß das physikalische Vakuum nicht leer ist, sondern mit einer oder mehreren unterschiedlichen feinstofflichen Massen gefüllt ist. So ist es wahrscheinlich, daß auch in fester Materie feinstoffliches Material vorhanden ist. innovative-physik-vortrag-2012-10-21.pdf

Vermutungen:
Die Gitterschwingungen des Kristalls sollten auch die feinstoffliche Materie im Innenraum in Schwingungen versetzen und darüber dann auf die im Außenraum wirken. Dort wären sie als Strukturen spürbar.

Es wäre denkbar, daß ein Stromfluß in Halbleitern mit indirektem Übergang mehr spürbare Effekte erzeugt und zwar überwiegend senkrecht zu der Ebene der Halbleiterschicht.
Es sollten dies zwei Strahlen in Achsenrichtung sein, einer nach vorne und einer nach hinten.
Die Frequenz dieser akustischen Schwingungen dürfte sehr hoch sein. (ungefähr einige Gigahertz)

Zur Bestätigung dieser These ist aber zu prüfen, ob es bei direkten Halbleitern auch spürbare Strukturen gibt und falls ja, ob sie sich ähnlich oder anders verhalten wie die bei indirekten Halbleitern.

Beobachtung:
Es gibt in Achsenrichtung jeweils nach vorne und nach hinten einen spürbaren Strahl, die sich in ihrer Qualität unterscheiden.

Abb. 07: y-Achse: Energie, x-Achse: Impuls

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur_-_direkter_Band%C3%BCbergang.svg

Abb. 08: Indirekter Halbleiter
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur_-_indirekter_Band%C3%BCbergang.svg

Abb. 09: Gegenüberstellung direkter und indirekter Übergang.
Beim rechten Übergang ist ein mechanischer Impuls erforderlich.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandmodellkrp.png

Abb. 10: "Strahl" von einem Halbleiterübergang /Gebbensleben 2010/

Abb. 11: Eine Germaniumdiode. Hier kommt sehr viel spürbare Intensität heraus, wenn man einen Gleichstrom fließen läßt. Steckt man sie zusätzlich in das Aluminiumrohr, dann wirkt dieser als Kollimator und bündelt die "Strahlung". /Gebbensleben 2010/
Germanium ist ein Halbleiter mit einem indirekten Bandübergang.
(Abb. 06 aus hyperschall.htm ) (FB)

Abb. 12: Diode in Aluminiumrohr (FB)

LED- Lichtfarbe und Spannung

Abb. 13: Leuchtdiode. Die Wellenlänge hängt von der am Halbleiter-Übergang angelegten Spannung ab.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Ledvoltcol.svg/1000px-Ledvoltcol.svg.png

Leuchtdioden

aus http://de.wikipedia.org/wiki/Lumineszenzdiode#Wei.C3.9Fe_LED

Farben und Technologie

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:

Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot (665 nm) und infrarot bis 1000 nm Wellenlänge
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
Galliumphosphid (GaP) – grün
Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün
Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab.

Materialsysteme der LEDs verschiedener Farben
Farbe Wellenlänge λ in nm Werkstoff

Infrarot λ > 760 Galliumarsenid (GaAs)
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)

Rot
610 < λ < 760 Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Galliumphosphid (GaP)

Orange
590 < λ < 610 Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Galliumphosphid (GaP)

Gelb
570 < λ < 590 Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Galliumphosphid (GaP)

Grün
500 < λ < 570 Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN)
Galliumphosphid (GaP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP)
Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung

Blau
450 < λ < 500 Zinkselenid (ZnSe)
Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Siliziumkarbid (SiC)
Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung
Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung

Violett
400 < λ < 450 Indiumgalliumnitrid (InGaN)

Ultraviolett 230 < λ < 400 Diamant (C)
Aluminiumnitrid (AlN)
Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)
Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)^[1]

Materialsysteme der LEDs verschiedener Farben
Farbe	Wellenlänge λ in nm	Werkstoff
Infrarot	λ > 760	Galliumarsenid (GaAs) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Rot	610 < λ < 760	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Orange	590 < λ < 610	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Gelb	570 < λ < 590	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Grün	500 < λ < 570	Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) Galliumphosphid (GaP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Blau	450 < λ < 500	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliziumkarbid (SiC) Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Violett	400 < λ < 450	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Ultraviolett	230 < λ < 400	Diamant (C) Aluminiumnitrid (AlN) Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)^[1]

Literatur: b-literatur.htm