Aufbau einer gepulsten Quelle polarisierter Elektronen - Institut für ...

2.4 Die NEA-Oberfläche 23
ab. Die hier relevante Abschätzung ist in Abbildung 2.6 (b) mit „negative affinity”
bezeichnet. L D stellt hier die Diffusionslänge der Elektronen dar, der Diffusionskoeffizient
D wird mit der Einstein-Relation D =(µkT )=q aus der meßbaren Elektronenbeweglichkeit
µ abgeschätzt.
2.4 Die NEA-Oberfläche
Die im vorigen Abschnitt beschriebene Photoabsorption führt zur Erzeugung eines
spinpolarisierten Elektronenensembles im Leitungsband des Halbleiters. Um einen
polarisierten Elektronenstrahl zu erzeugen, müssen die Elektronen dazu gebracht
werden, den Halbleiter zu verlassen. Da zur Überwindung der Elektronenaffinität
(Zur Definition der Terme siehe Abbildung 2.7) nicht genügend Energie zur Verfügung
steht, werden besondere Verfahren zur Oberflächenbehandlung der Kristalle
angewendet, um die Elektronenaffinität zu verringern. Scheer und van Laar [8] erzeugten
1965 erstmals Photoemission aus Halbleitern mit negativer Elektronenaffinität
(NEA). Die Prozesse, die zur Erzeugung negativer Elektronenaffinität führen,
sind bis heute nicht vollständig verstanden. Im allgemeinen werden zwei Prozesse
für die Erzeugung negativer Elektronenaffinität verantwortlich gemacht:
2.4.1 Die Bandbiegungszone
Durch den Abbruch des idealen Gitteraufbaus an der Kristalloberfläche werden,
ähnlich wie durch den Einbau von Störstellen im Halbleitervolumen, Elektronenzustände
in der verbotenen Zone (Energielücke) erzeugt [47]. Da diese Zustände
an der Oberfläche lokalisiert sind, spricht man von Oberflächenzuständen (s. Abbildung
2.7 (a)–(c)). Sie sind bis zur Fermienergie 1 mit Elektronen besetzt [15].
Durch p-Dotierung werden weitere Elektronenzustände innerhalb der Energielücke
nahe des Valenzbandmaximums erzeugt. Im Inneren des Halbleiters bewegt sich
dadurch die Fermienergie in Richtung des Valenzbands. An der Oberfläche wird es
zu einer Abwanderung der Elektronen aus den Oberflächenzuständen in die energetisch
niedrigeren Akzeptorzustände kommen. Wegen der hohen Dichte der Oberflächenzustände
wird sich dadurch die Fermienergie an der Oberfläche aber nur wenig
verändern. Man spricht vom Fermi-Level-Pinning. Durch die Abwanderung aus
1 Im Gegensatz zu Metallen kann im Halbleiter durch die Existenz der Energielücke die Fermienergie
nicht durch die Sprungstelle der Besetzungswahrscheinlichkeit bei T=0 definiert werden.
Nichtsdestotrotz stellt die Fermienergie eine gute Definition des chemischen Potentials des Halbleiters
dar (Vgl. [48]), wenn sie beim undotierten Halbleiter in die Mitte der Energielücke gelegt wird.
Ihre Lage kann sich dann aber durch äußere Einflüsse, wie Temperaturänderung oder Dotierung,
ändern.