Ich lese gerade einen Artikel über Quantenpunkte aus Galliumarsenid, einen Satz verstehe ich nicht:
Werden nun in das künstliche Molekül zwei Ladungsträger injiziert, ein Elektron und ein Loch, so werden die Zustände dieser beiden Teile gekoppelt.
Was ist mit dem Loch gemeint?
Gruß
Rainer
Ein Loch ist in der Halbleiterphysik das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, also eine lokale positive Ladung. Dies ist Eigentlich die positive Ladung des Atomgitters, dem ein Elektron an der Stelle fehlt. Im gegensatz zu ‚normalen‘ (d.h. metallischen) Leitern kann im Halbleiter elektrischer Strom sowohl die Bewegung von Elektronen als auch das Driften von Löchern sein. Löcher werden also wie Ladungsträger behandelt.
Hoffe ich konnte helfen. Von Details über Quantencomputer habe ich aber leider keine Ahnung 
Peace, Kevin.
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Ein Loch ist in der Halbleiterphysik das Fehlen eines
Elektrons an einer Stelle, also eine lokale positive Ladung.
Dies ist Eigentlich die positive Ladung des Atomgitters, dem
ein Elektron an der Stelle fehlt. Im gegensatz zu ‚normalen‘
(d.h. metallischen) Leitern kann im Halbleiter elektrischer
Strom sowohl die Bewegung von Elektronen als auch das Driften
von Löchern sein. Löcher werden also wie Ladungsträger
behandelt.Hoffe ich konnte helfen. Von Details über Quantencomputer habe
ich aber leider keine Ahnung
Das war schon prima, so was hab ích vermutet, aber wie injiziert man das?
Reicht es nicht, ein Elektron reinzubringen, das Loch ist doch von selbst da, wenn kein Elektron präsent ist.
Oder kann man nichts injizieren?
Beam me up, Kevin 
Gruß
Rainer
Das war schon prima, so was hab ích vermutet, aber wie
injiziert man das?
Reicht es nicht, ein Elektron reinzubringen, das Loch ist doch
von selbst da, wenn kein Elektron präsent ist.
Oder kann man nichts injizieren?
Ohne den Zusammenhang zu kennen kann ich nicht sagen, wie man bei dem speziellen Experiment das Loch injiziert, aber ich würde sagen:
Das Loch injizieren heisst, ein Elektron entfernen.
Peace, Kevin.
Hi Rainer,
Das war schon prima, so was hab ích vermutet, aber wie
injiziert man das?
Reicht es nicht, ein Elektron reinzubringen, das Loch ist doch
von selbst da, wenn kein Elektron präsent ist.
Oder kann man nichts injizieren?
Beam me up, Kevin
Gruß
Rainer
Ein „Loch“ injiziert man, indem man gezielt eine Verunreinigung einbringt (das Material „dotiert“). Die Verunreinigung besteht aus einem Element einer Gruppe, das weniger Valenzelektronen besitzt als das Element aus dem die Schicht aufgebaut ist. Wenn Du z.B. einen Halbleiter aus Silicium mit Löchern dotieren willst, mußt Du gezielt einzelne Bor-, Aluminium- oder Galliumatome einbringen. Diese haben in ihrer Valenzschale nur drei Elektronen, also quasi ein Loch. Um ein Elektron zu injizieren, mußt Du das Ganze mit einem Element mit mehr Valenzelektronen dotieren, also z.B. mit Phosphor, Arsen oder Antimon. Diese Elemente haben in ihrer Valenzschale fünf Valenzelektronen, also ein Überschüssiges.
Gruß,
Florian
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Ein „Loch“ injiziert man, indem man gezielt eine
Verunreinigung einbringt (das Material „dotiert“). Die
Verunreinigung besteht aus einem Element einer Gruppe, das
weniger Valenzelektronen besitzt als das Element aus dem die
Schicht aufgebaut ist. Wenn Du z.B. einen Halbleiter aus
Silicium mit Löchern dotieren willst, mußt Du gezielt einzelne
Bor-, Aluminium- oder Galliumatome einbringen. Diese haben in
ihrer Valenzschale nur drei Elektronen, also quasi ein Loch.
Um ein Elektron zu injizieren, mußt Du das Ganze mit einem
Element mit mehr Valenzelektronen dotieren, also z.B. mit
Phosphor, Arsen oder Antimon. Diese Elemente haben in ihrer
Valenzschale fünf Valenzelektronen, also ein Überschüssiges.
Hallo Florian
danke, alles klar.
Wär schön, wenn die Artikel auch so verständlich wären, manchmal hab ich das Gefühl, die Journalisten haben selber keine Ahnung und schreiben einfach, was sie gehört haben.
Gruß
Rainer
Ein „Loch“ injiziert man, indem man gezielt eine
Verunreinigung einbringt (das Material „dotiert“). Die
Verunreinigung besteht aus einem Element einer Gruppe, das
weniger Valenzelektronen besitzt als das Element aus dem die
Schicht aufgebaut ist. Wenn Du z.B. einen Halbleiter aus
Silicium mit Löchern dotieren willst, mußt Du gezielt einzelne
Bor-, Aluminium- oder Galliumatome einbringen. Diese haben in
ihrer Valenzschale nur drei Elektronen, also quasi ein Loch.
Um ein Elektron zu injizieren, mußt Du das Ganze mit einem
Element mit mehr Valenzelektronen dotieren, also z.B. mit
Phosphor, Arsen oder Antimon. Diese Elemente haben in ihrer
Valenzschale fünf Valenzelektronen, also ein Überschüssiges.
Ich fürchte, ich muss den Ausführungen von Florian widersprechen. Durch Dotierung kann man sogenannte ‚Fehlstellen‘ im Material erzeugen, diese sind aber nicht mit ‚Löchern‘ zu verwechseln! Die Dotierungs-elemente besitzen zwar ein Valenzelektron mehr (oder weniger) als das Halbleitermaterial (z.B. Silizium), ihre Kernladungszahl ist aber ebenfalls um eine positive Elementarladung höher (oder geringer) als das Halbleitermaterial. Die Gesamtlaudung bleibt Null.
Sehr wohl kann man durch Zusammenfügen von p- (positiv) und (negativ) n-dotiertem Material einen Übergang schaffen, in dem Löcher und freie Elektronen entstehen, dies ist aber wohl nicht gemeint, wenn vom ‚injizieren eines Elektrons und eines Lochs in einem Molkül‘ die Rede ist.
Dafür muss man schon ein Elektron an einer Stelle des Moleküls aufbringen und an einer anderen Stelle eines entfernen.
(Dies könnte mit einem Laserstrahl funktionieren, aber das ist nur meine Spekulation, da ich den Artikel nicht kenne.)
Hallo Florian
danke, alles klar.
Wär schön, wenn die Artikel auch so verständlich wären,
manchmal hab ich das Gefühl, die Journalisten haben selber
keine Ahnung und schreiben einfach, was sie gehört haben.
Tut mir leid, Rainer, aber manchmal sind die Sachen auch ein bischen komplizierter und man muss genau lesen, um nicht verschiedene Begriffe miteinander zu verwechseln. Ich vermute, dass die Journalisten sich schon halbwegs auskennen, sonst wären sie als Wissenschaftskorrespondent fehlbesetzt, aber sie müssen sich eng an die Ausführungen der Experten halten, um nichts zu erzählen, was falsch interpretiert werden kann.
(Nichts für ungut, Florian, aber manchmal ist man geneigt, einer einfachen Erklärung die man selbst schon (zu Schulzeiten?) verstanden hat ‚auf den Leim zu gehen‘. Bei genauerem hinsehen ist Dotierung ein Prozess, der mehrere Stunden dauert, wohingegen ein Quantencomputer eine etwas schnellere Bitrate benötigt
Peace, Kevin.
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Hallo Kevin,
Ich fürchte, ich muss den Ausführungen von Florian
widersprechen. Durch Dotierung kann man sogenannte
‚Fehlstellen‘ im Material erzeugen, diese sind aber
nicht mit ‚Löchern‘ zu verwechseln! Die Dotierungs-
elemente besitzen zwar ein Valenzelektron mehr (oder
weniger) als das Halbleitermaterial (z.B. Silizium),
ihre Kernladungszahl ist aber ebenfalls um eine positive
Elementarladung höher (oder:geringer) als das
Halbleitermaterial. Die Gesamtlaudung bleibt Null.
Doch, durch Dotierung kann man durchaus Löcher erzeugen. Das ist ja genau der Sinn der Sache. Der Punkt ist der: die Gesamtladung des Kristalls bleibt natürlich Null. Aber das ist nicht entscheidend. Ausschlaggebend ist die Tatsache, daß dem Dotieratom tatsächlich ein Hüllenelektron fehlt. Nun liegt in einem Energiediagramm ein sog. Akzeptorniveau nur knapp über dem Valenzband und kann daher thermisch aktivierte Elektronen aus dem Valenzband einfangen. Anderes formuliert, das Dotieratom fängt sich ein Elektron ein, welches fest an dieses gebunden bleibt. Es belegt also die bislang unbesetzte kovalente Bindung an ein Nachbaratom. Damit fehlt „dem Kristall“ (genauer: dem Valenzband) also ein Elektron und ein Loch ist entstanden.
Die Anzahl der Löcher ist natürlich größer als die in einem reinem GaAs-Kristall (auch ein absolut reiner Kristall hat - thermisch angeregte - Löcher; die sog. intrinische Lochkonzentration.). Die sog. extrinsische Halbleiter hat damit eine Anzahl von Löcher, die über die Anzahl der Dotiertatom/Fehlstellen einstellbar ist.
Sehr wohl kann man durch Zusammenfügen von p- (positiv) und
(negativ) n-dotiertem Material einen Übergang schaffen, in dem
Löcher und freie Elektronen entstehen, dies ist aber wohl
nicht gemeint, wenn vom ‚injizieren eines Elektrons und eines
Lochs in einem Molkül‘ die Rede ist.
Doch… Ladungsträger-Injektion ist genau das Fachwort, das Halbleiterphysiker für so etwas verwenden. Um das Beispiel pn-Übergang - also eine Diode - aufzugreifen: wenn man eine Spannung über den pn-Übergang anlegt, dann liegt kein thermisches Gleichgewicht mehr vor.
Insbes. können Elektronen aus dem n-dotierten Gebiet mit Elektronenüberschuß über die Grenzfläche (genauer: Raumladungszone) hinweg in das p-dotierte Gebiet gelangen. Diesen Vorgang nennt man „Injektion von Elektronen ins p-Material.“. Umgekehrt spricht man von Loch-Injektion ins n-Gebiet.
Die beiden Vorgänge sind in grober Näherung symmetrisch. Denn das Loch hat Teilchencharakter - für einen Halbleiterphysiker ist es sogar ein (Quasi)Teilchen. Damit kann ich guten Gewissens sagen, ich bringe von außen ein zusätzliches Loch (bzw. Elektron) über die Kontakte (also die elektrischen Anschlüße der Diode) in das Bauelement.
Bei genauerem hinsehen ist Dotierung ein Prozess, der mehrere
Stunden dauert, wohingegen ein Quantencomputer eine etwas
schnellere Bitrate benötigt
*denk* ??? Es kommt darauf an, wie man die Dotierung macht. Mit einer Ionenimplantationsanlage ist das ein Sache von Sekunden. Wenn man dagegen die Dotierstoffe eindiffundieren läßt, dann kann es schon mal Stunden dauern. GaAs-Halbleiterbauelemente dagegen werden oft epitaktisch - Atomlage für Atomlage - gewachsen. Hier werden die Dotieratome gleich beim Wachstum mit eingebaut; sie suchen sich innerhalb vom vielleicht Nanosekunden den für sie günstigsten Gitterplaz im Kristall.
Markus
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Hallo Rainer,
Das war schon prima, so was hab ích vermutet, aber wie
injiziert man das?
Reicht es nicht, ein Elektron reinzubringen, das Loch ist doch
von selbst da, wenn kein Elektron präsent ist.
Oder kann man nichts injizieren?
wie ich schon in dem anderem Beitrag geschrieben habe, ist „Injektion“ nichts anderes als der Fachbegriff, den Halbleiterphysiker in so einem Fall verwenden. Es geht im wesentlich nur darum, „irgendwie“ ein zusätzliches Loch in dieses Quantenpunkt zu bringen. Meiner Erfahrung nach wird Injektion in der Regel dann verwendet, wenn die zusätlichen Ladungsträger (Elektronen und Löcher) über elektrische Kontakte „injeziert“ werden, also über elektrische Anschlüsse in das Halbleitermaterial eingebracht werden.
Ich nehme an, bei dem Artikel handelt es sich um InAs oder InGaAs-Quantenpunkte. Aus dem Zusammenhang schließe ich, daß die Quantenpunkte in einer Diode einbebaut sind. (Und zwar in die i-Schicht, also zwischen n-dotierter und p-dotierter Schicht. Das ist üblich.) Dann ist auch klar, wie Elektronen und Löcher dort hineinkommen. n- und p-dotierte Schicht habe elektrische Kontakte. Sobald ich eine Spannung anlege, fließt ein Strom durch die Diode. Im Bild eines Halbleiterphysiker kommen von einem Kontakt Löcher, vom anderen Kontakt Elektronen. Diese Vorgang nennt man Injektion.
Ob nun schon ein Loch sich in dem Quantenpunkt befindet… das hängt stark davon ab, wie das Bauelement mit den Quantenpunkten genau aussieht. Welche Spannung liegt an, bei welcher Temperatur wird das Experiment gemacht usw… insbes. bei Raumtemperatur ist wohl davon auszugehen, daß sich sowohl Elektronen als auch Löcher schon im Quantenpunkt befinden. Dann wären die zusätzlichen Elektronen und Löcher interessant. Aber mir scheint, daß sich das ganze geschehen eher bei tiefen Temperaturen abspielt…
Viele Grüße,
Markus
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Das war schon prima, so was hab ích vermutet, aber wie
injiziert man das?
Wenn ich es richtig verstanden habe, dann werden Elektron und Loch gleichzeitig injiziert. In einem Halbleiter ist das nichts anderes als das Anheben eines Elektrons vom Grundniveau in das Leistungsband. Durch die Zuführung der dazu notwendigen Promotionsenergie entstehen so aus einem Valenzelektron zwei Ladungsträger, nämlich ein frei bewegliches Elektron und ein Loch. Die Energie kann beispielsweise durch ein Photon zugeführt werden. Bei der Rekombionation des Elektron-Loch-Paares wird die Promotionsenergie wieder abgegeben (beispielsweise ebenfalls in Form eines Photons). In einem Quantencomputer dürfte das ganz ähnlich ablaufen, nur daß dort anstelle des Leitungsbandes das delokalisierte Molekülorbital eiunes Quantenpunktes tritt.
Hi MrStupid,
Wenn ich es richtig verstanden habe, dann werden Elektron und
Loch gleichzeitig injiziert. In einem Halbleiter ist das
nichts anderes als das Anheben eines Elektrons vom Grundniveau
in das Leistungsband.
Nicht unbedingt; wie schon ausgeführt bezeichnet Injektion eigentlich mehr die elektrische Zuführung von zusätzlichen Elektronen und Löchern. Für die Generation - egal ob thermisch oder optisch - von Elektronen (und Löchern) über die Bandlücke hinweg ins Leitungsband (bzw. Valenzband) wird der Begriff nur sehr selten verwendet, IMHO.
… der dazu notwendigen Promotionsenergie
… das musste ich als HL-Physiker erst einmal ein Lexikon bemühen. Offenbar ein Begriff, der in der Regel nur in der Chemie auftaucht…
entstehen so aus einem Valenzelektron zwei Ladungsträger,
nämlich ein frei bewegliches Elektron und ein Loch.
Frei beweglich müssen sie aber nicht sein. Das hängt von der Anregungsenergie ab. Wenn die Ladungträger wirklich in den Quantenpunkt gelangen sollen, dann wird es u.U. besser sein, die optische Übergangsenergie zwischen den quantisierten elektrischen Niveaus des Quantenpunkts als Photonenenergie zu wählen. Dann aber sind Elektron und Loch im Quantenpunkt gebunden und nicht frei beweglich. Oder umgekehrt…die Anregungsenergie ist größer als die Bandlückenenergie und dann habe ich zwei frei Ladungsträger erzeugt, vorausgesetzt, der gebundene Zustand zwischen Elektron und Loch (Exziton) wird durch ein elektrisches Feld aufgebrochen und die Ladungsträger werden räumlich getrennt.
Markus