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  Infrarotdurchlässigkeit von Silizium |
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jynx11
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 |  Themenstart: 2017-01-22
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Hallo,
im Praktikum haben wir die Infrarotdurchlässigkeit von Silizium gemessen (der Silizium-Filter befand sich zwischen einem Leslie-Würfel und einer Thermosäule) und auf ca. 46% bestimmt.
Die Frage ist jetzt, wie diese Strahlung verloren gegangen ist. Ein Teil davon wurde sicherlich reflektiert. Macht es Sinn dass die restliche Strahlung die Atome zu Schwingungen anregt? (Und damit zum Erwärmen des Materials führt)
Unsere erste Überlegung war, dass die Energie der Strahlung ausreicht, damit die Elektronen die Bandlücke (1,12 eV) überwinden können. Allerdings liegt unser Emissionsmaximum bei 0,15eV, das kann es also nicht sein.
Gibt es vielleicht noch eine andere Halbleitereigenschaft, die dafür verantworlich sein kann oder habt ihr weitere Ideen, was durch die Absorption passiert sein kann?
Büchertipps wären auch hilfreich, wenn vorhanden. Bis jetzt bin ich weder im Gerthsen, noch im Halliday oder einem Buch über Halbleiter fündig geworden.
Danke schon mal!
Lg jynx
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 | Beitrag No.1, eingetragen 2017-01-22
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Moin
Kannst du noch etwas mehr zum Versuchsaufbau sagen? Über welchen Wellenlängen- bzw. Energiebereich der Strahlung habt ihr das Experiment gemacht?
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jynx11
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| Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-22
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Das wichtigste natürlich vergessen :) : Es ging um Wärmestrahlung. Der Leslie-Würfel wurde auf eine Temperatur von 72°C eingestellt und die Strahlung ausgehend von der schwarzen Seite gemessen (mit und ohne Silizium-Filter). Das Wellenlängenmaximum dieser Temperatur liegt bei 8400nm bzw. 0,15 eV. Die Durchlässigkeit wurde zu 46% bestimmt.
Ich würde auch gern den reflektierten Anteil berechnen, weiß aber nicht welche Formel ich dafür verwenden kann. Für sichtbares Licht gibt es da ja eine mit den Brechungsindizes ...
Liebe Grüße
jynx
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AlphaSigma
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| Beitrag No.3, eingetragen 2017-01-23
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\quoteon(2017-01-22 13:34 - jynx11 im Themenstart)
...
Unsere erste Überlegung war, dass die Energie der Strahlung ausreicht, damit die Elektronen die Bandlücke (1,12 eV) überwinden können. Allerdings liegt unser Emissionsmaximum bei 0,15eV, das kann es also nicht sein.
Gibt es vielleicht noch eine andere Halbleitereigenschaft, die dafür verantworlich sein kann oder habt ihr weitere Ideen, was durch die Absorption passiert sein kann?
Lg jynx
\quoteoff
\quoteon(2017-01-22 22:07 - jynx11 in Beitrag No. 2)
...
Das Wellenlängenmaximum dieser Temperatur liegt bei 8400nm bzw. 0,15 eV.
Liebe Grüße
jynx
\quoteoff
Hallo jynx11,
bei einer Anregungsenergie von 0,15 eV fallen mir sofort zwei Fragen ein:
1) Ist das Silizium dotiert?
2) Welche Temperatur hat der Silizium-Kristall bzw. -Wafer?
AlphaSigma
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jynx11
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| Beitrag No.4, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-23
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Das Silizium war p-dotiert. Könnte in diesem Fall die Energie ausreichen um Elektronen ins Leitungsband zu heben?
Die Temperatur des Siliziums war allerdings Raumtemperatur...
Lg jynx
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| Beitrag No.5, eingetragen 2017-01-23
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Moin
Unwahrscheinlich ist es nicht, das die Energie auch ausreicht, um Elektronen ins Leitungsband anregen. Weiter sind aber auch Anregungen in Defektzustände möglich. Abgesehen von der elektronischen Anregung kann die Energie aber auch einfach Schwingungszustände des Gitters anregen, also die Erzeugung von Phononen.
\quoteon(2017-01-22 13:34 - jynx11 im Themenstart)
Büchertipps wären auch hilfreich, wenn vorhanden. Bis jetzt bin ich weder im Gerthsen, noch im Halliday oder einem Buch über Halbleiter fündig geworden.
\quoteoff
Gerade der Halliday ist viel zu oberflächlich, als das sowas in ihm behandelt werden könnte. Da wirst du ganz andere Quellen brauchen.
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jynx11
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| Beitrag No.6, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-24
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Kann man das auch irgendwie berechnen, ob die Energie nun Elektronen anregt oder Gitterschwingungen? Oder muss man sich in dem Fall mit Vermutungen begnügen..?
Stimmt, der Halliday ist zu oberflächlich :). Ich dachte nur, nachdem ich im Gerthsen einen kleinen Abschnitt gefunden hatte schau ich da auch mal nach ... aber Quellen die sich damit etwas intensiver beschäftigen wären nützlicher.
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| Beitrag No.7, eingetragen 2017-01-24
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\quoteon(2017-01-24 10:16 - jynx11 in Beitrag No. 6)
Kann man das auch irgendwie berechnen, ob die Energie nun Elektronen anregt oder Gitterschwingungen? Oder muss man sich in dem Fall mit Vermutungen begnügen..?
\quoteoff
Aus der einfachen Messung wirst du, denke ich, so nicht ableiten können, welcher Prozess in welchem Maße für die Absorption verantwortlich ist. Beide Prozesse würden simultan ablaufen, aber einer wird sicher dominanter sein als der andere.
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AlphaSigma
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| Beitrag No.8, eingetragen 2017-01-24
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\quoteon(2017-01-23 22:36 - jynx11 in Beitrag No. 4)
Das Silizium war p-dotiert. Könnte in diesem Fall die Energie ausreichen um Elektronen ins Leitungsband zu heben?
Die Temperatur des Siliziums war allerdings Raumtemperatur...
Lg jynx
\quoteoff
Hallo jynx,
bei p-Dotierung liegen die Akzeptorniveaus knapp oberhalb des
Valenzbandes. Bei Raumtemperatur sind nahezu alle Akzeptorniveaus
mit einem Elektron besetzt. Bei n-Dotierung sind bei Raumtemperatur
nahezu alle Donatorniveaus geleert und die Elektronen im Leitungsband.
Da bei Raumtemperatur kT $\approx$ 0,025 eV ist, d.h. ähnlich groß wie
die Energiedifferenz von den Dotierniveaus zu den Bandkanten.
Die Dotierung kann nur bei tieferen Temperaturen für die Absorption
von Energien in dem Bereich verantwortlich sein.
Siehe z.B.
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw2_ge/index.html
unter Halbleiter -> 5.2 Dotierung (bis 5.2.4 Massenwirkungsgesetz und Ladungsträgerdichten)
AlphaSigma
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Dixon
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 | Beitrag No.9, eingetragen 2017-01-25
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Hallo zusammen,
laut Wikipedia hat Silizium im Infraroten einen Brechungsindex von fast vier; gemäß den Fresnelschen Formeln führt das zu einem Reflexionsfaktor von fast 40 %. Das ist ein Effekt einer Grenzfläche und sagt erstmal nichts über das Innere aus.
Grüße
Dixon
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jynx11
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| Beitrag No.10, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-26
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Hallo alle zusammen,
danke erstmal für die vielen hilfreichen Antworten! Sehr interessant was alles dabei rauskommt :).
@Dixon: guter Einwand ... ich hab in einem Buch den Brechungsindex von Silizium bei einer Photonenenergie von 0,15eV gefunden, dieser liegt bei ca. 3,42. Damit kommt man ziemlich genau auf 30% Reflexion. Aber das ist ja auch schon viel :).
@AlphaSigma: Danke für den Link, der ist sehr hilfreich und informativ! Bin allerdings noch nicht ganz durchgekommen mit lesen ;).
Ich fasse mal zusammen:
1. 30% der Strahlung wurde reflektiert, 46% durchgelassen. Übrig bleiben also 24%, die vom Silizium absorbiert wurden.
2. Durch die p-Dotierung sind bei Raumtemperatur bereits alle Akzeptorniveaus besetzt - d.h. durch die 0,15eV können auch keine weiteren Elektronen auf höhere Niveaus angehoben werden.
3. Was für Möglichkeiten bleiben jetzt noch für die Absorption übrig? Ich sehe da erstmal nur die Erzeugung von Phononen...
Lg jynx
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Dixon
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|  Beitrag No.11, eingetragen 2017-01-27
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Ähem, da ist noch eine zweite Grenzfläche - es sei denn, der Detektor war im Silizium.
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jynx11
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| Beitrag No.12, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-27
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Stimmt, die zweite Grenzfläche hab ich vergessen.
Ok, d.h. an der 1. Grenzfläche gehen 30% verloren, an der 2. müssten es 21% sein.
Damit bleiben 3% übrig, die nicht sehr signifikant sind...d.h. Silizium reflektiert im Infraroten fast die gesamte Strahlung.
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Dixon
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| Beitrag No.13, eingetragen 2017-01-28
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\quoteon(2017-01-27 11:35 - jynx11 in Beitrag No. 12)
Stimmt, die zweite Grenzfläche hab ich vergessen.
Ok, d.h. an der 1. Grenzfläche gehen 30% verloren, an der 2. müssten es 21% sein.
Damit bleiben 3% übrig, die nicht sehr signifikant sind...d.h. Silizium reflektiert im Infraroten fast die gesamte Strahlung.
\quoteoff
Da hassdt Du Dich mit Sicherheit verrechnet.
Jedenfalls bleibt als Ergebnis, daß die Absorption nicht sehr hoch ist und nur ermittelt werden kann, indem man Proben verschiedener Dicke durchstrahlt und durch die Ergebnisse eine hübsche Kurve zieht.
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jynx11
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| Beitrag No.14, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-28
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Der Reflexionskoeffizient von 0,3 gilt doch auch für die 2. Grenzfläche oder? Und wenn durch die erste 30% verloren gingen bleiben noch 70%, die auf die 2. Fläche treffen und von denen wieder 30% reflektiert werden oder ist mein Gedankengang falsch?
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Dixon
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| Beitrag No.15, eingetragen 2017-01-28
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\quoteon(2017-01-28 00:20 - jynx11 in Beitrag No. 14)
Der Reflexionskoeffizient von 0,3 gilt doch auch für die 2. Grenzfläche oder? Und wenn durch die erste 30% verloren gingen bleiben noch 70%, die auf die 2. Fläche treffen und von denen wieder 30% reflektiert werden oder ist mein Gedankengang falsch?
\quoteoff
Nein; durch die erste Grenzfläche gehen 70% durch und davon durch die zweite auch 70%: macht 49%. Das unterscheidet sich etwas von 3%.
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jynx11
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| Beitrag No.16, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-28
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ok, dann war das ein missverständnis. Ich hatte von den 100% eben einmal 30%, dann die 21% und dann die 46%, die vom Detektor detektiert wurden, abgezogen. Zieht man die 46% nicht ab kommt man auch auf 49%. Aber da der Detektor die 3% nicht aufgenommen hat nehme ich an, dass sie absorbiert wurden oder aufgrund von Messungenauigkeiten entstanden.
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