Der Round-Effekt und der photoelektrische Effekt an Siliziumcarbid

Der Round-Effekt ist eine Eigenschaft von Halbleitern und halbleiterähnlichen Stoffen Licht auszusenden wenn eine elektrische Gleichspannung angelegt wird.
Entdeckt hat diesen Effekt Henry Joseph Round (1907) und später Oleg Wladimirowitsch Lossew (1921), weshalb diese Erscheinung auch Lossew-Licht genannt wird.

Hinweise:

Achtung! Laserstrahlung! Nicht in den Strahl blicken! Gefahr von Netzhautverbrennungen!


Geräte:

Gleichspannungsquelle ca.5-15V, Krokodilklemmen , Tastspitze (Nadel), Spannungsmessgerät (Multimeter), energiereiche UV-Lichtquelle (UV Laser <5mW)

Materialien:

Siliziumkarbid (SiC)

Durchführung:

Ein Stück Siliziumcarbid wird mit einer Klemme an den Pluspol der Gleichspannungsquelle fixiert.
Mit der Tastspitze, einer herkömmlichen Nadel die den Minuspol darstellt, wird das Siliziumkarbid-Probestück abgetastet
bis man eine Stelle findet die durch Kontakt mit der Tastspitze zu "glimmen" beginnt.
Veränderungen des Anpressdrucks der Tastspitze können für den Erfolg des Versuchs entscheidend sein.

Unterschiedliche Reinheiten/Verunreinigungen des Siliziumcarbides rufen unterschiedliche Emmissionsfarben hervor.
Die am meisten beobachtete Emmisionsfarbe bei den Versuchen war orange/gelblich,
obwohl auch abhängig von der Reinheit der Kristalle grünlich bis bläuliche Glimmtöne zu beobachten waren.

Erklärung:

Die Leuchterscheinung ist kein durch Hitze hervorgerufenes Glimmen, also kein thermischer Efekt,
sondern eine direkte Photonenemmission ähnlich einer LED.
Siliziumcarbid besitzt Halbleitereigenschaften und ist hauptsächlich durch Al₂O₃ verunreinigt,
was auch die dunkelgrünliche bis schwarze Färbung im Kristall hervorruft und ein Art Dotierung bewirkt.
Es können im Kristallgitter des SiC P/N-Übergänge entstehen, an denen durch Einwirkung eines Stromflusses
Elektronen kurzfristig in einen energetisch höheren Zustand versetzt werden.
Beim Zurückfallen dieser "angeregten Elektronen" auf das vorherige niedere Energieniveau wird die nun überschüssige Energie in Form von Photonen (Licht) ausgesendet. Beim Aufsetzen der Tastspitze auf eine geeignete Stelle kommt so ein Leuchteffekt zustande.

(Blaue LED´s wurden anfangs aus SiC hergestellt, jedoch wurde wegen des schlechten Wirkungsgrades von SiC
auf andere Materialien wie z.B. Indiumgalliumnitrid mit höheren Wirkungsgrad ausgewichen)

Bilder:


Detailaufnahme der Lichtemission


Verschiedene Emmisionsfarben


Betrachtung einer blauen Emission. (zum besseren Kontrast unter rötlichen Umgebungslicht)

Weitere Überlegung:

Gegenversuch zum Photoelektrischen Effekt:

Durchführung:

Am spannungslosen Aufbau wird eine Spannungsmessung im mV Bereich am SiC-Kristall durchgeführt.
Bei "normaler Beleuchtung" ist bei der Messung am SiC-Kristall keine signifikante Spannungsänderung feststellbar.

Sobald die Stelle am Kristall an der zuvor eine Lichtemission (Round-Effekt) zustandegekommen ist
mit einer energiereichen Lichtquelle (UV Laser ~405nm/<5mW unfokussiert) angestrahlt wird, kann eine Gleichspannung von bis zu einigen 100mV gemessen werden.
Die Polarität der gemessenen Spannung ist analog zu der beim vorherigen Versuch zur Lichtaussendung.
Der photoelektrische Effekt an SiC liess sich in diesem Versuch nur mit kurzwelligem (energiereichem) UV-Licht signifikant feststellen.
Weitere Versuche mit ~532nm <1mW (grün) und ~658nm ~5mW (rot) Laserbestrahlung brachten auch mittels Strahlfokussierung keinen grösseren messbaren Effekt.

Bilder:


Spannung während UV-(Laser)Bestrahlung beträgt 22mV


Bestrahlung mit Laser ~532nm (grün, <1mW), Laser ~658nm (rot, ~5mW) und einer UV-LED. Die Bestrahlung mit einer UV-LED ergab nur eine schwache Spannung von ca. 2mV.

Erklärung:

Durch die Bestrahlung mit kurzwelligem (energiereichem) Licht werden an den P/N-Übergängen Ladungsträger frei.
Einfallende Photonen erzeugen freie Ladungsträgerpaare aus Elektronen und sogenannten "Löchern".
Die negativen Elektronen drängen nun zu positiven Ladungszonen und positive "Löcher" zu negativen elektronenreichen Ladungszonen,
was eine messbare "Photospannung" bewirkt.
Einfallendes Licht wird in eine messbare elektrische Spannung umgewandelt.

wow,... interesssant,... sind zwar noch ein paar Tippfehler drin, aber schon mal nicht schlecht. Allerdings wäre es besser ein kleines Vorwort zum Thema zu geben, in dem die entdecker gleich genannt werden können, um vorab schon Infos zu geben was passiert.

EDIT: schönes Foto... womit gemacht, bzw. Macrofilter?

Danke,die Sache mit den Tippfehlern/Rerchstichrebnug Arbeite ich nochmal durch..jaja,meine Schulzeit liegt schon lange zurück..
Gute Idee mit dem Vorwort,werd ich wohl auch nochmal in Angriff nehmen.
Das Foto ist einfach mit der Makrofunktion gemacht,ohne Filter etc.
So als Tipp,wenn man mit der Makrofunktion nicht weit genug rankommt kann man auch eine Linse direkt vor´s Objektiv halten.

p.s.: -das mit den Tippfehlern geb ich gleich zurück:

..da fehlt was,im wahrsten Sinne des Wortes..hehe

*lach* da habe ich wohl einfach mal kurz das Hirn ausgestöpselt... der Effekt einer Macrolinse ist ja das gleiche wie bei ner Einfachen Lupe... du kannst eben richtig nah heran

Muss die Tastspitze/ Nadel so rostig sein oder geht das auch mit ner sauberen? Spass beiseite, hattest Du ja schon mal auf VG aber mich fasziniert´s immer wieder.

Vielen Dank Lars. Die Tastspitze war vorher angeätzt,verkupfert und wasweissichnochalles.
Waren Versuche verschiedene Übergänge zu bekommen

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