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Messung ultraschneller elektrischer Felder in Halbleitern mittels des Franz-Keldysh-Effektes

18.02.2005

Zur Detektion ultraschneller elektrischer Signale bieten sich optische Messverfahren an, da sie größere Bandbreiten erzielen als elektronische Verfahren. Die PTB hat daher eine neue optische Methode entwickelt, um ultraschnelle elektrische Felder in Halbleitern zu messen. Sie basiert auf dem sogenannten Franz-Keldysh-Effekt, beim dem ausgenutzt wird, dass ein elektrisches Feld Oszillationen im Absorptionsspektrum eines Halbleiters verursacht. Ein optischer Puls mit einem genügend breiten Spektrum erfährt dadurch eine Absorptionsänderung, während er durch den Halbleiter propagiert. Diese Absorptionsänderung wird detektiert und ist ein Maß für das elektrische Feld. Das Feld kann in SI-Einheiten angegeben werden. Der entwickelte Messaufbau der PTB ist insbesondere für eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung konzipiert worden. Momentan wird eine zeitliche Auflösung von 150 fs und eine räumliche Auflösung von 1,5 μm erreicht.

Mit Hilfe dieses neuen Verfahrens wurde die elektrische Felddynamik in sog. Halbleiter-Photoschaltern untersucht. Solche Schalter werden standardmäßig zu Erzeugung von Terahertz-Strahlung und von Pikosekunden-Spannungsimpulsen eingesetzt. Die Ladungsträger- und Felddynamik in diesen Strukturen ist bisher noch nicht im Detail verstanden. Erste räumlich und zeitlich aufgelöste Messungen der PTB, die ultraschnelle Fluktuationen des elektrischen Feldes in den Schaltern zeigen, demonstrieren sehr gut die Anwendbarkeit des oben beschriebenen Verfahrens. Weitergehende Messungen und ein Vergleich mit theoretischen Modellen können ein besseres Verständnis der Ladungsträger- und Felddynamik in Halbleiter-Photoschaltern liefern.