Indirekter Halbleiter: Was ist damit gemeint?

Lösung: C. Es ist ein indirekter Halbleiter; die strahlende Rekombination erfordert Phononen, daher ist die Lichtausbeute gering

Silizium ist ein indirekter Halbleiter: Das Minimum des Leitungsbands und das Maximum des Valenzbands liegen bei unterschiedlichen Kristallimpulsen. Damit ein Elektron und ein Loch unter Lichtemission rekombinieren, muss gleichzeitig ein Phonon beteiligt sein, das den Impulsunterschied ausgleicht; die Wahrscheinlichkeit strahlender Rekombination ist daher sehr gering, und meist erfolgt eine nichtstrahlende Rekombination über Defektniveaus, die Wärme erzeugt. Direkte Halbleiter wie GaAs und InGaN emittieren Licht effizient und werden für LEDs und Laser verwendet. Ein direkter Halbleiter zu sein ist für die Lichtemission also sogar günstig. Ca. 3,4 eV ist die Bandlücke von GaN, nicht von Silizium; die von Silizium beträgt ca. 1,12 eV, sodass emittiertes Licht im Infraroten bei einer Wellenlänge von ca. 1,1 µm liegt.

Lösung: B. Es absorbiert sichtbares Licht stärker als der Kristall, sodass Schichten von höchstens 1 µm genügen, doch die Elektronenbeweglichkeit ist 2 bis 3 Größenordnungen kleiner

Kristallines Silizium ist ein indirekter Halbleiter und absorbiert die längeren Wellenlängen des sichtbaren Lichts nur schwach; Solarzellen verwenden daher gewöhnlich Substrate mit einer Dicke von 100 µm oder mehr. In a-Si:H fehlt die langreichweitige Periodizität, sodass die Bedingung der Impulserhaltung beim Übergang gelockert ist; der Absorptionskoeffizient für sichtbares Licht ist daher größer als im Kristall, und eine Schicht von höchstens 1 µm Dicke kann das Licht absorbieren. Andererseits werden Ladungsträger in Bandausläuferzuständen eingefangen, die das ungeordnete Netzwerk erzeugt; die Elektronenbeweglichkeit beträgt daher etwa 1–10 cm²/(V·s) und ist damit 2 bis 3 Größenordnungen kleiner als die von kristallinem Silizium mit ca. 1400 cm²/(V·s). Für schnelle Logikschaltungen ist es deshalb ungeeignet; da es sich aber bei ca. 300 °C großflächig abscheiden lässt, wird es für die Pixel-TFTs von Flüssigkristallanzeigen und für Dünnschichtsolarzellen verwendet. Mit einer Bandlücke von ca. 1,7 eV absorbiert es sichtbares Licht gut und kann keine transparente Elektrode sein.