Exciton

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Een exciton is een gebonden elektron-gat paar in een halfgeleider.

Door een (voldoende hoge) eindige temperatuur of onder invloed van straling van voldoende energie kunnen elektronen van de volle valentieband van een halfgeleider naar de lege geleidings-of conductieband geëxciteerd worden. Het naar de conductieband geëxciteerde elektron kan zich nu vrij bewegen. Het in de valentieband ontstane gat kan nu gezien worden als een positief geladen vrij bewegend deeltje.

Onder normale omstandigheden zullen dit elektron en gat zich snel van elkaar verwijderen. Onder bepaalde omstandigheden kunnen zij echter door een attractieve Coulomb-interactie gebonden worden zoals een elektron en een proton dat doen wanneer zij samen een waterstofatoom vormen. Het ontstane elektron-gat 'atoom' noemt men een exciton. De golffuncties die men voor beide systemen kan berekenen lijken sterk op elkaar. Het grote verschil zit hem in de massa van het proton, deze is vele malen groter dan die van een elektron; bij een exciton zijn de beide deeltjes waaruit het bestaat vrijwel even zwaar, zodat ze in dit opzicht beter te vergelijken zijn met positronium. Het exciton heeft daarom een grotere straal dan het waterstofatoom. Bovendien kunnen het gat en het elektron elkaar annihileren (zoals het elektron en het positron in positronium), bij een waterstofatoom is dat niet mogelijk. Excitonen hebben daarom een beperkte levensduur.

Omdat een exciton een neutraal deeltje is, het elektron en het gat hebben namelijk dezelfde maar tegengestelde lading, kan het zich door het kristal bewegen en zo energie transporteren zonder dat hierbij ladingstransport plaatsvindt.

Er bestaan verschillende soorten excitonen. In de twee limietsituaties voor excitonen spreken we van:

  • Frenkel-excitonen : In deze situatie is het exciton klein en sterk gebonden waardoor het elektron en het gat zich op hetzelfde atoom bevinden. Een Frenkel-exciton is eigenlijk niets anders dan een soort geëxciteerde toestand van een atoom. De excitatie kan weliswaar naar een naburig atoom overspringen (hopping). Zo kan er zich een excitatiegolf door het kristal bewegen.
  • Mott-Wannier-excitonen: In deze situatie is het exciton zwak gebonden zodat de afstand tussen het elektron en het gat groot is in vergelijking met de roosterconstante. Het gat en het elektron zijn dus niet meer op hetzelfde atoom gelokaliseerd.
  • Atomaire of moleculaire excitonen: Moleculen en atomen kunnen hun aangeslagen toestand aan elkaar doorgeven op een manier die goed beschreven kan worden als het verplaatsen van een exciton. Dit proces vindt onder andere bij fotosynthese en Förster-resonantie plaats.