Halbleiter-Elektroden

1. Halbleiter-Elektroden Zuerst aber: Gerischer-Modell an Metallelektroden: Es gilt für die Verteilung der möglichen elektronischen Energiezustände des Redoxsystems im Elektrolyten nach Gerischer: Die Zustandsdichte ergibt sich dann durch Multiplikation mit den Konzentrationen Der oxidierten bzw. reduzierten Spezies: FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

2. Halbleiter-Elektroden Gerischer-Modell an Metallelektroden: Die W(E) sind Verteilungsfunktionen über alle möglichen Energien, hier ist noch nicht das Elektrodenpotential enthalten! • Reduktion: Der Stromfluß kommt durch die Überlappung der gefüllten Zustände auf der Metallseite und der leeren Zustände auf der Lösungsseite (ox) zustande • (Oxidation umgekehrt) FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

3. Halbleiter-Elektroden Gerischer-Modell an Metallelektroden:  Überlappungsfunktion (hier: grün) - Verteilung der Energie- zustände im Metall F(E) – Zahl der besetzten Zustände im Metall (Fermi-Dirac) FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

4. Halbleiter-Elektroden Gerischer-Modell an Metallelektroden: Näherungsweise Lösung: nur nennenswerte Beiträge in der Nähe der Fermi-Kante:  D.h. in guter Näherung erhält man die Marcus-Formel für den Elektronen- transfer an Metallelektroden! FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

5. Energie Halb- leiter Leitungsband Valenzband Metall Isolator d Halbleiter-Elektroden Halbleiter: Bandstruktur an Abhängigkeit vom Atomabstand d: typische Bandlücken Eg (in eV): Si: 1.1 Ge: 0.6 InSb: 0.2 Diamant: 5.6 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

6. Halbleiter-Elektroden Intrinsische Halbleiter: Thermische Energie der Elektronen: 0.025 eV bei 25°C  einige wenige Elektronen springen aus dem Valenzband in das leere Leitungsband: Elektronen- plus Löcherleitung Ionisierung: [e] = [h] : gleiche Anzahl der Ladungsträger, n = 1013 .. 1016 cm-3  exponentielles Anwachsen der Leitfähigkeit mit der Temperatur (Metalle: Leitfähigkeit sinkt!) n · p = K(T) = const. (MWG!) Analogie zum Elektrolyten: FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

7. Halbleiter-Elektroden Dotierungshalbleiter: (extrinsische Halbleiter) In Si: As (5-wertig): verhält sich wie ein Elektronendonor Konzentration: 1 ppm  nD = 5·1016 cm-3 (=Dichte der Leitungselektronen) Dichte der Löcher folgt dann aus dem MWG: ni2/nD << nD hier: 4·103 cm-3 Elektronen sind in der überwältigenden Mehrheit: „Majoritätsladungsträger“  „n-Dotierung“ Die Löcher sind hier die „Minoritätsladungsträger“ Umgekehrt: Dotierung mit Ga (3-wertig): Elektronenakzeptor – p-Dotierung FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

8. Halbleiter-Elektroden Dotierungshalbleiter: Lage des Fermi-Niveaus: n-Typ: liegt wenig unter dem Leitfähigkeitsband p-Typ: liegt wenig über dem Valenzband Intrinsische Halbleiter: liegt ziemlich genau in der Mitte der Bandlücke FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

9. Halbleiter-Elektroden Was passiert an der Grenzfläche Halbleiter-Lösung? Gleichgewicht: die elektrochemischen Potentiale müssen gleich sein:  Fermi-Energie im Halbleiter = elektrochemisches Potential in der Lösung Ox Ox  EF Red Red Eg Eg Lösung n-Typ Elektronenfluss vom Halbleiter zur Lösungsseite: FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011

10. Halbleiter-Elektroden Was passiert an der Grenzfläche Halbleiter-Lösung? Ox Resultat: Bandverbiegung EF Red Eg Die Unterschussladung ist über einen ganzen Bereich verteilt: „Raumladungszone“ Die Majoritätsladungsträger (Elektronen) sind an der Oberfläche verarmt  deshalb auch „Verarmungsschicht“ (depletion layer) genannt Beschreibung der Raumladungszone: völlig analog zur Gouy-Chapman-Theorie! Dicke der Raumladungszone: 5 .. 200 nm >> Helmholtz-Schicht!! „Flachbandpotential“ entspricht: „Nullladungspotential“! FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010/2011