Techniklexikon

Elektron-Loch-Plasma

Elektronik, Halbleiterphysik, elektronischer Anregungszustand im Halbleiter, der durch die Coulomb-Wechselwirkung im Vielteilchensystem der angeregten Elektronen und Löcher bestimmt wird (hochangeregte Halbleiter). Der Zustand Elektron-Loch-Plasma wird durch die effektive Ladungsträgertemperatur T (die höher als die Gittertemperatur sein kann) und die gleichen Dichten von Elektronen und Löchern n beschrieben. Die bei kleinen n dominierenden Exzitonen werden durch Abschirmung aufgebrochen (Mott-Bedingung). Eine einfache Betrachtung ergibt dafür D / a_B = 0,84 (D: Debyescher Abschirmradius, a_B: Bohrscher Radius des Exzitons).

Die Coulomb-Wechselwirkung im Elektron-Loch-Plasma modifiziert die Bandstruktur, und zwar verringert sich die Energielücke E_g durch Austausch- und Korrelationswechselwirkung, näherungsweise  für tiefe Temperaturen. Addiert man dazu die Fermi-Energie E_F der Elektronen und Löcher, die für T = 0 eine entartete Quantenflüssigkeit
(, m^*: reduzierte effektive Masse) bilden, so erhält man das chemische Potential m(n). Für nichtangeregte Halbleiter gilt m = 0.

Durch die Abnahme der Energielücke mit n kann es bei genügend tiefen Temperaturen einen Bereich mit dm / dn < 0 geben, wobei das chemische Potential sogar Werte unterhalb der Exzitonenenergie E_x annimmt. Dann teilt sich das angeregte Volumen in zwei Phasen auf: Ein Exzitonengas (oder Elektron-Loch-Plasma) niedriger Dichte umgibt »Tropfen« einer entarteten Elektron-Loch-Flüssigkeit hoher Dichte n₀. Dieser Phasenübergang erster Ordnung (Kondensation in Elektron-Loch-Tropfen) wurde erstmals 1968 von L.V. Keldysch (Moskau) theoretisch erklärt. Oberhalb des kritischen Punktes (n_c, T_c) verschwindet der Phasenübergang, und das Exzitonengas geht stetig in das voll ionisierte Elektron-Loch-Plasma über.

Die Plasmafrequenz des Elektron-Loch-Plasmas (, e: Elementarladung, e_s: (statische) Dielektrizitätskonstante) kann über die Plasma-Resonanz-Reflexion zur direkten Bestimmung von n genutzt werden. In optischen Spektren treten im Abstand  von der Hauptlinie schwache Plasmon-Satelliten auf. Im polaren Halbleiter vereinigen sich Plasmon und longitudinales optisches Phonon zu gemischten Moden, die in Raman-Streuung sichtbar gemacht werden können.

Gegenwärtig stellt das Elektron-Loch-Plasma das am besten verstandene Vielteilchensystem in der Festkörperphysik dar. Enge theoretische Beziehungen gibt es zu dotierten Halbleitern, zur Metalltheorie (einkomponentiges Elektronengas) und zur Plasmaphysik (Plasma).