Blitzschneller Widerstand

  • 16. December 2011

Forscher beobachten die extrem schnelle Entwicklung des elektrischen Widerstandes in einem Halbleiter, indem sie die Bewegung der Elektronen in Echtzeit verfolgen.

Unter normalen Bedingungen besitzen elektrische Leiter einen Widerstand. Die Elektronen stoßen mit schwingenden Atomkernen oder mit Störstellen zusammen und werden so gebremst. Typischerweise passieren solche Stöße nach einer extrem kurzen Zeit, ca. 100 Femtosekunden. Deshalb beträgt die Elektronengeschwindigkeit nur etwa einen Meter pro Stunde.

Abb.: Elektronen (blau) und Löcher (rot) vor dem Anlegen eines elektrischen Feldes...   (Bild: MBI)

Abb.: Elektronen (blau) und Löcher (rot) vor dem Anlegen eines elektrischen Feldes... (Bild: MBI)

Wenn man die Elektronen bei ihrer Bewegung auf der Femtosekunden-Zeitskala beobachtet, würde man erwarten, dass sie nach dem Einschalten der Batterie für sehr kurze Zeit ungestört durch das Material fliegen, bevor sie anstoßen. Genau diese Beobachtung haben Forscher am Max-Born-Institut in Berlin kürzlich gemacht. Anstelle einer Batterie benutzten sie extrem kurze Pulse von Terahertz-Stahlung, um optisch erzeugte freie Elektronen in einem Stück Galliumarsenid zu beschleunigen.

Die so beschleunigten Elektronen erzeugten ihrerseits ein elektrisches Feld. Die Forscher sahen, dass die Elektronen direkt nach dem Einschalten des elektrischen Feldes ungestört beschleunigt wurden, wohingegen sich der Einfluss der Stöße erst nach etwa 300 Femtosekunden bemerkbar machte.

Abb.: ...und danach. (Bild: MBI)

Abb.: ...und danach. (Bild: MBI)

Elektronen und Löcher in Galliumarsenid zeigten zufällige Wärmebewegungen, bevor der Terahertz-Puls die Probe traf. Sein elektrisches Feld beschleunigte Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Während der elektrische Widerstand entstand, wurde diese Bewegung abgebremst. Dies führte zu einem aufgeheizten Elektron-Loch-Gas, das heißt zu einer schnelleren Wärmebewegung.

Diese Experimente ermöglichten es den Forschern festzustellen, welche Art Stöße hauptsächlich für den elektrischen Widerstand verantwortlich ist. Interessanterweise fanden sie heraus, dass die wichtigsten Stoßpartner nicht atomare Schwingungen sind, sondern positiv geladene Teilchen, also Löcher. Ein Loch oder Defektelektron ist ein leerer Elektronenzustand im Valenzband des Halbleiters; es hat eine positive Ladung und eine etwa 6-mal so große Masse wie das Elektron.

Die optische Anregung eines Halbleiters erzeugt gleichzeitig freie Elektronen und Löcher. Diese werden durch den Terahertz-Puls in entgegengesetzte Richtungen bewegt. Da die Löcher verglichen mit den Elektronen eine viel größere Masse haben, bewegen sie sich nur langsam, aber sie stehen den Elektronen im Weg, wodurch diese abgebremst werden.

Diese Ergebnisse könnten zukünftig zu effizienterer und schnellerer Elektronik führen und vielleicht zu neuen Tricks, die den elektrischen Widerstand verringern.

MBI / PH

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