„Flachbandspannung“ – Versionsunterschied

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen
Versionsgeschichte interaktiv durchsuchen
[ungesichtete Version][gesichtete Version]
← Zum vorherigen VersionsunterschiedZum nächsten Versionsunterschied →
Inhalt gelöscht Inhalt hinzugefügt
VisuellWikitext
Keine Bearbeitungszusammenfassung
Erstellt durch Übersetzen der Seite „Flat band potential“
Zeile 1: Zeile 1:
Die '''Flachbandspannung''' (auch '''Flachbandpotential''') bezeichnet in der [[Halbleiterphysik]] das Potenzial in einer [[Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur]], bei dem es keine Verarmungsschicht am Übergang zwischen einem Halbleiter und einem Elektrolyten<ref name=":0">Sixto Giménez and Juan Bisquert. Photoelectrochemical Solar Fuel Production. Springer, Switzerland, 2016.</ref> oder p-n-Übergang gibt. Dies ergibt sich aus der Bedingung, dass das Redox-Fermi-Niveau des Elektrolyten gleich dem Fermi-Niveau des Halbleiters sein muss und somit jede Bandverbiegung des [[Leitungsband|Leitungs-]] und [[Valenzband|Valenzbandes]] verhindert.
{{Short description|Semiconductor-electrolyte junction potential}}
{{Too technical|date=May 2021}}{{DISPLAYTITLE:Flat band potential}}


Eine Anwendung des Flachbandspannung findet sich bei der Bestimmung der Breite des Raumladungsbereichs in einem Halbleiter-Elektrolyt-Übergang. Außerdem wird es in der [[Mott-Schottky-Gleichung]] zur Bestimmung der [[Kapazität]] des Halbleiter-Elektrolyt-Übergangs verwendet und spielt eine Rolle für den Photostrom einer [[Photoelektrochemische Zelle|photoelektrochemischen Zelle]].<ref name=":1" /><ref name=":5" /> Der Wert des Flachbandspannung hängt von vielen Faktoren ab, wie dem Material, dem pH-Wert und der Kristallstruktur des Materials.<ref name=":3" />
In [[semiconductor]] physics, the '''flat band potential''' of a semiconductor defines the potential at which there is no depletion layer at the junction between a semiconductor and an electrolyte<ref name=":0">Sixto Giménez and Juan Bisquert. Photoelectrochemical Solar Fuel Production. Springer, Switzerland, 2016.</ref> or p-n-junction. This is a consequence of the condition that the redox Fermi level of the electrolyte must be equal to the Fermi level of the semiconductor <ref name=":0" /> and therefore preventing any [[Band diagram#Band bending|band bending]] of the [[Electronic band structure|conduction and valence band]]. An application of the flat band potential can be found in the determining the width of the space charge region in a semiconductor-electrolyte junction.<ref name=":1">M Sharon. An Introduction to the Physics and Electrochemistry of Semiconductors. John Wiley & sons, inc and Scrivener Publishing LLC, New Jersey and Beverly, 2016.</ref> Furthermore, it is used in the [[Mott–Schottky equation|Mott-Schottky equation]] to determine the capacitance of the semiconductor-electrolyte junction <ref name=":3">K. Gelderman, L. Lee, and S. W. Donne. Flat-band potential of a semiconductor: Using the mott–schottky equation. Journal of Chemical Education, 84(4):685, 2007.</ref><ref name=":6">W. John Albery, Gerald J. O’Shea, and Alec L. Smith. Interpretation and use of mott–schottky plots at the semiconductor/electrolyte interface. J. Chem. Soc., Faraday Trans., 92:4083–4085, 1996.</ref><ref name=":5">Anna Hankin, Franky E. Bedoya-Lora, John C. Alexander, Anna Regoutz, and Geoff H. Kelsall. Flat band potential determination: avoiding the pitfalls. J. Mater. Chem. A, 7:26162–26176, 2019.</ref> and plays a role in the photocurrent of a photoelectrochemical cell.<ref name=":1" /><ref name=":5" /> The value of the flat band potential depends on many factors, such as the material, pH and crystal structure of the material<ref name=":3" /><ref name=":7">M. Radecka, M. Rekas, A. Trenczek-Zajac, and K. Zakrzewska. Importance of the band gap energy and flat band potential for application of modified tio2 photoanodes in water photolysis. Journal of Power Sources, 181(1):46 – 55, 2008. SPECIAL SECTION Selected papers from the 1st POLISH FORUM ON FUEL CELLS AND HYDROGEN.</ref><ref>E. C. Dutoit, F. Cardon, and W. P. Gomes. Electrochemical properties of the semiconducting tio2 (rutile) single crystal electrode. Berichte der Bunsengesellschaft f¨ur physikalische Chemie, 80(6):475–481, 1976.</ref>


== Physikalische Hintergründe ==
== Background semiconductor physics ==
In [[Semiconductor|semiconductors]], valence electrons are located in energy bands. According to [[Electronic band structure|band theory]],<ref name=":2">Steven H. Simon. The Oxford Solid State Basics. Oxford, Oxford, 2013.</ref><ref name=":02">{{Cite book|title=Photoelectrochemical solar fuel production : from basic principles to advanced devices|author=Giménez, Sixto|author2= Bisquert, Juan|date=29 April 2016|url=https://www.worldcat.org/oclc/948632302|location=Switzerland|isbn=978-3-319-29641-8|oclc=948632302}}</ref> the electrons are either located in the valence band (lower energy) or the conduction band (higher energy), which are separated by an energy gap. In general, electrons will occupy different energy levels following the [[Fermi–Dirac statistics|Fermi-Dirac distribution]]; for energy levels higher than the Fermi energy Ef , the occupation will be minimal. Electrons in lower levels can be excited into the higher levels through thermal or photoelectric excitations, leaving a positively-charged hole in the band they left.<ref name=":02" /><ref name=":2" /> Due to conservation of net charge, the concentration of electrons (n) and of protons or holes (p) in a (pure) semiconductor must always be equal. Semiconductors can be doped to increase these concentrations: n-doping increases the concentration of electrons while p-doping increases the concentration of holes. This also affects the Fermi energy of the electrons: n-doped means a higher Fermi energy, while p-doped means a lower energy. At the interface between a n-doped and p-doped region in a semiconductor, [[Band diagram|band bending]] will occur.<ref name=":02" /><ref name=":2" /> Due to the different charge distributions in the regions, an electric field will be induced, creating a so-called [[depletion region]] at the interface. Similar interfaces also appear at junctions between (doped) semiconductors and other materials, such as metals/electrolytes. A way to counteract this band bending is by applying a potential to the system. This potential would have to be the flat band potential and is defined to be the applied potential at which the conduction and valence bands become flat<ref name=":02" />
In Halbleitern befinden sich die Valenzelektronen in Energiebändern. Gemäß des [[Bändermodell|Bändermodels]]<ref name=":2">Steven H. Simon. The Oxford Solid State Basics. Oxford, Oxford, 2013.</ref><ref name=":02">{{Literatur |Autor=Sixto Giménez, Juan Bisquert |Titel=Photoelectrochemical solar fuel production : from basic principles to advanced devices |Verlag=Springer |Datum=2016 |ISBN=978-3-319-29641-8 |OCLC=}}</ref> befinden sich die Elektronen entweder im Valenzband (niedrigere Energie) oder im Leitungsband (höhere Energie), die durch eine [[Bandlücke]] getrennt sind. Im Allgemeinen besetzen die Elektronen verschiedene Energieniveaus entsprechend der [[Fermi-Dirac-Verteilung]]; bei [[Energieniveau]]<nowiki/>s, die höher als die [[Fermi-Energie]] ''E''<sub>F</sub> sind, ist die Besetzung minimal. Elektronen in niedrigeren Niveaus können durch thermische oder photoelektrische Anregungen in höhere Niveaus angeregt werden, wobei in dem Band, das sie verlassen haben, ein positiv geladenes Loch zurückbleibt.<ref name=":2" /><ref name=":02" /> Aufgrund der Erhaltung der Nettoladung muss die Konzentration von [[Elektron|Elektronen]] (n) und [[Proton|Protonen]] oder [[Defektelektron|Löchern]] (p) in einem (reinen) Halbleiter immer gleich sein. Halbleiter können dotiert werden, um diese Konzentrationen zu erhöhen: n-Dotierung erhöht die Konzentration der Elektronen, p-[[Dotierung]] die Konzentration der Löcher. Dies wirkt sich auch auf die Fermi-Energie der Elektronen aus: n-Dotierung bedeutet eine höhere Fermi-Energie, während p-Dotierung eine niedrigere Energie bedeutet. An der Grenzfläche zwischen einem n-dotierten und einem p-dotierten Bereich in einem Halbleiter kommt es zu einer Bandverbiegung. <ref name=":2" /><ref name=":02" />


Aufgrund der unterschiedlichen Ladungsverteilung in den beiden Bereichen wird ein elektrisches Feld induziert, wodurch an der Grenzfläche ein so genannter Verarmungsbereich entsteht. Ähnliche Grenzflächen treten auch an Übergängen zwischen (dotierten) Halbleitern und anderen Materialien, wie Metallen/Elektrolyten, auf. Eine Möglichkeit, dieser Bandverbiegung entgegenzuwirken, besteht darin, ein Potenzial an das System anzulegen. Dieses Potenzial ist die Flachbandspannung und ist definiert als das angelegte Potenzial, bei dem die Leitungs- und Valenzbänder im Halbleiter keine Verbiegung aufweisen.<ref name=":02" />
== References ==


== Einzelnachweise ==
{{reflist}}
<references />

[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Category:Electronic band structures]]
[[Category:Semiconductors]]

Version vom 13. August 2022, 22:17 Uhr

Die Flachbandspannung (auch Flachbandpotential) bezeichnet in der Halbleiterphysik das Potenzial in einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur, bei dem es keine Verarmungsschicht am Übergang zwischen einem Halbleiter und einem Elektrolyten[1] oder p-n-Übergang gibt. Dies ergibt sich aus der Bedingung, dass das Redox-Fermi-Niveau des Elektrolyten gleich dem Fermi-Niveau des Halbleiters sein muss und somit jede Bandverbiegung des Leitungs- und Valenzbandes verhindert.

Eine Anwendung des Flachbandspannung findet sich bei der Bestimmung der Breite des Raumladungsbereichs in einem Halbleiter-Elektrolyt-Übergang. Außerdem wird es in der Mott-Schottky-Gleichung zur Bestimmung der Kapazität des Halbleiter-Elektrolyt-Übergangs verwendet und spielt eine Rolle für den Photostrom einer photoelektrochemischen Zelle.[2][3] Der Wert des Flachbandspannung hängt von vielen Faktoren ab, wie dem Material, dem pH-Wert und der Kristallstruktur des Materials.[4]

Physikalische Hintergründe

In Halbleitern befinden sich die Valenzelektronen in Energiebändern. Gemäß des Bändermodels[5][6] befinden sich die Elektronen entweder im Valenzband (niedrigere Energie) oder im Leitungsband (höhere Energie), die durch eine Bandlücke getrennt sind. Im Allgemeinen besetzen die Elektronen verschiedene Energieniveaus entsprechend der Fermi-Dirac-Verteilung; bei Energieniveaus, die höher als die Fermi-Energie EF sind, ist die Besetzung minimal. Elektronen in niedrigeren Niveaus können durch thermische oder photoelektrische Anregungen in höhere Niveaus angeregt werden, wobei in dem Band, das sie verlassen haben, ein positiv geladenes Loch zurückbleibt.[5][6] Aufgrund der Erhaltung der Nettoladung muss die Konzentration von Elektronen (n) und Protonen oder Löchern (p) in einem (reinen) Halbleiter immer gleich sein. Halbleiter können dotiert werden, um diese Konzentrationen zu erhöhen: n-Dotierung erhöht die Konzentration der Elektronen, p-Dotierung die Konzentration der Löcher. Dies wirkt sich auch auf die Fermi-Energie der Elektronen aus: n-Dotierung bedeutet eine höhere Fermi-Energie, während p-Dotierung eine niedrigere Energie bedeutet. An der Grenzfläche zwischen einem n-dotierten und einem p-dotierten Bereich in einem Halbleiter kommt es zu einer Bandverbiegung. [5][6]

Aufgrund der unterschiedlichen Ladungsverteilung in den beiden Bereichen wird ein elektrisches Feld induziert, wodurch an der Grenzfläche ein so genannter Verarmungsbereich entsteht. Ähnliche Grenzflächen treten auch an Übergängen zwischen (dotierten) Halbleitern und anderen Materialien, wie Metallen/Elektrolyten, auf. Eine Möglichkeit, dieser Bandverbiegung entgegenzuwirken, besteht darin, ein Potenzial an das System anzulegen. Dieses Potenzial ist die Flachbandspannung und ist definiert als das angelegte Potenzial, bei dem die Leitungs- und Valenzbänder im Halbleiter keine Verbiegung aufweisen.[6]

Einzelnachweise

  1. ↑ Sixto Giménez and Juan Bisquert. Photoelectrochemical Solar Fuel Production. Springer, Switzerland, 2016.
  2. ↑ Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen :1.
  3. ↑ Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen :5.
  4. ↑ Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen :3.
  5. ↑ a b c Steven H. Simon. The Oxford Solid State Basics. Oxford, Oxford, 2013.
  6. ↑ a b c d Sixto Giménez, Juan Bisquert: Photoelectrochemical solar fuel production : from basic principles to advanced devices. Springer, 2016, ISBN 978-3-319-29641-8.
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Flachbandspannung&oldid=225313184“