Quantitafives zur lichtelektrischen Leitung in Zinkoxyd

Von E . Mollwo

(Mit 12 Abbildungen)

Inhaltsiibersieht Diese Arbeit bring$ fur die lichtelektrische Leitung in diinnen im Hochvakuum

aufgedampften ZnO-Schichten 4 sauber reproduzierbare Gesetzmafligkeiten. Sie verkniipfen miteinander die Bestrahlungsstarke, die lichtelektrische Leitfahigkeit und die Dunkelleitfahigkeit, die nach Bestrahlung der Schichten mit Elektronen a uftritt .

- _ _ ~ _ ~

Einleitung Fast alle experimentellen physikalischen Arbeiten iiber sogenannte Halbleiter

kanipfen mit einer Schwierigkeit, die oft die B’eststellung quantitativer Zusammen- hange verliindert. Es ist die Tatsache, da13 es nur sehr schwer gelingt, eine von den vielen Groflen, die das Verhalten eines Halbleiters bestimmen, allein zu andern. Beinahe immer treten gleichzeitig hderungen anderer wichtiger Parameter auf, die in ihrer Wirkung oft nur qualitativ oder auch gar nicht bekannt sind. Das gilt unter Umstanden bereits fiir Beobachtungen an ein und demselben Versuchs- stuck und erst recht bei verschiedenen Proben. Diese Schwierigkeit beeintrachtigte auch die in der vorhergehenden Arbeit 1) mitgeteilten Versuche zum elektrischen Verhalten des ZnO.

An sich liegen die Verhaltnisse bei dieser Substanz reiativ giinstig, da der nur schwer ganz fernzuhaltende Luftsauerstoff bei irgendwelchen Behandlungen der Versuchsstiicke keine zusatzliche chemische Komponente in das ZnO einbaut. Indessen bringt eine Erhitzung des Versuchsmaterials offenbar durch Struktur- iinderungen mit hderung der Korngrenzenwiderstande bereits so starke Storungen, da13 andere Einflusse auf die elektrische Leitfahigkeit nur qualitativ zu erkennen sind.

Diese Schwierigkeiten sind in der vorliegenden Arbeit iibenvunden worden. I h c h eine geschickte Versuchsfuhrung (vgl. 3.) la& sich ein wichtiger Para- meter, namlich die Dunkelleitfahigkeit, um viele GroSenordnungen andern. Dabei werden andere Parameter, die das elektrische Verhalten des ZnO beeinflussen, offenbar nicht geandert. Das wurde durch zwei wesentliche Veranderungen der Versuchsbedingungen gegenuber denen der ersten Arbeit erreicht :

1. Es werden sehr diinne ZnO-Schichten benutzt (Dicke w O,l,u), 2. Die hderung der elektrischen Leitfahigkeit erfolgt durch Bestrahlung der

diinnen Schichten niit Elektronen im Vakuum.

l ) E. Mollwo u. F. Stockmann, Ann. Physik (6) 3, 223 (1948), im folgenden zitiert a1s I. Dort befinden sich auch ausfuhrliche Literaturangaben uber elektrische ‘L‘ntersuchungen am ZnO.

E . Mollwo: Quantitativea zur lichtelektrischen Leilung in Zinkoxyd 231

Unter diesen Bedingungen ergeben sich zwischen der Dunkelleitfahigkeit und der lichtelektrischen Leitfahigkeit beliebig reproduzierbare feste Beziehungen. Dime Zusammenhange lassen sich durch gesetzmiioige hderungen einiger weniger Parameter deuten.

2. Herstellung der ZnO-Schichten und Versuchsanordnung Die ZnO-Schichten wurden hergcstellt durch Oxydation eines diinnen Zn-

Spiegels, der durch Verdampfen im Hochvakuum auf einer Quarzplatte niederge- achlagen wurde. Einzelheiten zum Aufdampfen des Zn sind bereits friiher mitge- teilt worden *). Die Oxydation geschah durch einfaches Erhitzen der bedampften Quarzplatte von der nichtbedampften Seite her in einer kleinen Gasflamme. Die

zum Stmmmesser

Weltenl#nge

Abb. 1. Absorptiompektrum von ZnO, ge- messen an diinnen im Hochvakuum aufge- dampften Ychichten. I , = 386 mp ist die ,,Kante" der ultravioletten Eigenabsorption. Bei ihr ist die Absorptionskonstante von

der GroDenordnung 10 mm-1

zut * Pumpe

Abb. 2. Versuchsanordnung

ZnO-Schichten hatten eine Flache von 6 - 6 mm2, die 1 mm dicken Quarzplatten eine solche von 12,5 * 12,5 nim2. Wie die Interferenzfarben zeigten, lagen die Dicken der Schichten zwischen 0,l und 0,3p. In Abb. 1 ist das schon friiher 2, mit- geteilte Absorptionsspektrum solcher Schic ten noch einmal wiedergegeben.

Schicht mit aufgedampften Zn-Elektroden versehen, die die Schicht etwa 1 mm weit bedeckten. A d diese Zn-Elektroden wurden die Stromzufuhrungen niit Unter- lagen von mehrfachen Stanniolfolien federnd aufgeschraubt. Zur Untersuchung wurden die Schichten in die in Abb. 2 dargestellte Anordnung gebracht. Ein wiirfelfiirmiger Messingkasten, Kantenlange 12 c n , hat in seiner Oberseite ein rundes Loch von 8,5 cm Durchmesser. Auf'diesem Loch liegt, abgedichtet durch einen Gunimiring mit kreisformigen Querschnitt, eine Spiegelglasplatte. Zwei starke durch die Glasplatte gefiihrte Messingdrahte tragen die Klemmvorrichtung, in die die Quarzplatte mit der ZnO-Schicht eingespannt wird. A n der gegeniiber- liegenden Unterseite des Kastcns befindet sich die Vorrichtung fur die Elektropen- bestrahlung. Ein 23 cm langes Glasrohr tragt am unteren Ende eine Elektronen- quelle (V-formige Wolframgliihkathode mit Wehneltzylinder). Im Inneren des

Fiir die elektrischen Untersuchungen wur !I en zwei gegeniiberliegende Seiten der

~-

*) E. Mollwo, Reichsberichte f. Phys. 1, 1 (1944).

232 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 3. 1918

Glasrohres verhindert ein Messingrohr R Storungen durch Aufladungen, der Glae- rohre. Die den oberen Teil des Glasrohres umgebende Spule L bewirkt als magneti- sche Linse, daB die Schicht intensiv und gleichmaBig niit Elektronen bestrahlt, wird. AuBer Ober- und Tinterseite hesitzen noch zwei sich gegeniiberliegende Seitenwande des Kastens groBe Locher. Das eine dient zum AnsehluB an die Pumpleitung (E-Pumpe von Leybold), das andere niit einer Quarzglasplatte ver- schlossene als Eintrittsfenster fur das Licht bei den lichtelektrischen Messungeik. Als Lichtquelle wurde eine Hochdruckquecksilberlampe (Type Osram HBO 501) benutzt,, die teils rnit dem stadtischen Netz, teils niit Akkumulatoren gespeid wurde. Ihr Licht wurde durch einen Quarzmonochromator einfach gpektral zer- legt. Austrittsspalt des Monochromators war eine 10 mm breite Spaltblende B direkt vor dem Quarzfenster Q, die monochromatisch voll und gleichmaBig auege- leuehtet wrde . Jm Inneren des Kastens wurde das Licht uber einen mit Schliff

' Autobefterie lnadenb&%

Abb. 3. Sclialtskizze tles fur die Messungrn benutzten Gleiehstromrerstai keis. Der aus- wechselbare Gitterableitwiderstand R, hette je nach Grol3e des zu messenden Stromcs einen Wert von 106 bis 100 Ohm. Bei grol3en Stromstiirken w u d e zwisrhen die Buchse 0 der Autobatkrie und das Potentiometer eine zusktzliche Spannung gelegt, so dal3 clrr Arbeithpunkt der Elektrometerrohre richtig eingestellt werden konnte. Die Lage dvr Nulliriie auf Clem Leuchtmhirm wurde durch Erdung eines geeignetrn Punktes der Anodrn-

battcrie pnssend geaiihlt

drehbaren Aluminiumoberflachenspiegel Sp auf die ZnO-S chicbt geworfen. Drr von der vorderen Prismenflache des Monochromators reflektierte Bruchteil drs einfallenden Lichts fie1 auf ein Selenphotoelement und diente zur Kontrolle'der Strahlungsleistung der Lichtquelle. Mefibare hderungen der auf die Schiclit fallenden Strahlungsleistung wurden hergestellt durch geeichte Siebblenden, bci kleinen Strahlungdeistungen zusamlqen rnit Glasfiltern von Sc h o t t , deren Schw.t- chungsverhaltnis ebenfalls genau bestimmt war. Fur die Untersuchungen des zeit- lichen Verlaufs der lichtelektrischen Strome mul3te die volle Bestrahlung rniig- lichst schnell ein- oder ausgeschaltet werden. Der fur diese Zwecke gebaute Vcr- schlul3 bestand im wesentlichen aus einem dunnen Blech an einer 12 cm langrn kriiftigen Schraubenfeder, die mit einer magnetisch auslosbare n Vorrichtung ge- spannt gehalten wurde. Der VerschluB war unmittelbar hinter dem ctwa l min breiten Eintrittsspalt des Monochromators der Erschiitterungen wegen auf eineiii gesonderten Stativ angeordnet, so da13 das Blech bei entspannter Feder das schmale Lichtbundel eritweder ganz abdeckte oder freigab. Nach photographischrn Registrierungen rnit Photozelle and Oszillograph brauchte dieser VerschluB zuin volhgen offnen und SchlieBen des Lichtweges rund 10-~ sec. Die Strome durc.1~ die ZnO-Schicht wurden gemessea rnit einem Spiegelgalvauometer mit Empfind- lichkeitsrcgulierung (Fabrikat Ruhstrat, Stronienipfindlichkeit 5 . Amp/mni/ni. Schwingungsdauer 0,6 sec). An seine Stelle trat bei den Messungen der zeitlichen

E. Mollwo: Quanlitatives zur lichtelektrischen Leitung in Zinkoxyd 233

hderungen der licbtelektrischen Strome entweder ein Drehbiigelgalvanometer (Fabrikat Ruh strat, Stromempfindlichkeit 6,7 * lo-' Amp/mm/m, Schwingungs- daucr 1,9 10-2 sec) oder ein Kathodenstrahloszillograph (Siemens KE 1071). Rei Verwendung des letzteren wurde der in Abb. 3 wiedergegebene Gleichstrorn- Verstarker eingeschaltet und durch kurze Leitungsfiihrung fur eine kleine Zeit- konstante der gesamten Anordnung gesorgt. Zur Festlegung der Zeitablenkung (Kippfrequenz) des Oszillographen wurden die Schwingungen geeichter Stimm- gabeln iiber Mikrophon und Verstarker auf den Oszillographen gegeben. Auf diese Weise wurden auch Abweichungen vom linearen ZeitmaBstab eliminiert. Samt- liche Angaben der Strommesser wurden photographisch registriert, bei den Spiegel- galvanometern auf bewegtem Papier, beim Oszillographen auf hochempfindlichen Platten. Der Strom fur die Leitfahigkeitsmessungen wurde von Anodenbatterien, f iir den Verstarker von Akkumulatoren und Anodenbatterien geliefert. Hoch- apannungsquelle fiir die Elektronenbestrahlung war ein kaufliches Hochspannungs- netzgerat mit Gleichrichter von der Firma Max Ulricb, Leipzig.

3. Qualitative Beschreibung einer Messung Eine fertig praparierte und mit Elektroden versehenen ZnO-Schicht wird in

die oben beschricbene Apparatur gebracht uiid dieselbe evakuiert. Das angeschlos- sene Spiegelgalvanometer zeigt bei einer an der Schjcht liegenden Feldstarke von rund 200 Voltjcm keinen Aus- :chlag. Der Strom ist sicher kleiner als Ampere. Kurz- zeitige, ctwa sekundenlange Relichtung der Schicht mit Licht der Hg-Lampe ergibt keine hderung. Jetzt wird die Elektronenbestrahlung init einer Beschleunigungsspannilng von 7 kV einges'chaltet (die gleichmaBige Bestrahlung der

reszenz leicht kontrolliert wer- den). Dadurch entsteht eine Leitfahigkeit in der Schicht, die je nach Starke des Restrahlungsstromes melir oder weniger sehnell ansteigt, und zwar ganz zu Beginn mit einer hoheren Potenz, sehr bald aber proportional der Bestrahlungszeit. Wenn der Strom durch die Schicht etwa den Wert 10-6 Ampere erreicht hat, wird die Elektronenbestrah- lung abgeschaltet. Sofort heginnt der Strom wieder abzufallen, zu Beginn schnell, aber bald immer langsamer, so daB naeh einigen Minuten ein fast konstantcr Strom erreicht ist. Sein M'ert ist etwa des Htichstwerts. Wird jetzt die Be- strahlung mit Licht der Hg-Lampe eingeschaltet, so ergibt sich der in Abb. 4 schematisch wiedergegebene Stromverlauf : Der Strom steigt voni konstanten Wert des Dunkelstroms i, zu Beginn der Belichtung in1 Punkt 1 iin Bruchteil einer Sekunde urn einen Hetrag i, auf einen neueu konstanten Wert. Xach Abschalten der Belichtuiig (Punkt 2) fallt der Strom deutlich langsamer auf seinen urspriing- lichen Wert i, zuruck. Kleinere Bestrahlungsstarken ergeben laiigsaniere An- derungsgeschwindigkeiten und kleinere Gesamtanderungen iL. Alle Messungen sind beliebig reproduzierbar. In diesem Zustand halt sich die Schicht bei guteni

kann durch ihre Abb. 4. Schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der lichtelektriscbcn Striime

234

Hochvakuum stundenlang. Sperrt man dagegen die Pumpleitung ab und liil3t Luft in die Apparatur, so sinkt der Strom unter Urnstanden innerhalb von Sekunden auf unmedbar kleine Werte.

Dieser Vorgang ist bereits im einzelnen ausfiihrlich untersucht worden, die Ergebnisse d e n aber an anderer Stelle veroffentlicht werden. Es handelt sich offenbar uni eine Reaktion der Elektronen liefernden Stellen (iiberschiissiges Zn) mit Sauerstoff. Die Gesehwindigkeit der Reaktion und damit des Stromabfalls haagt unter anderem vom Sauerstoffpartialdruck ab. Sic ist aul3erdem kleiner, wenn man cine schon oft mit Elektronen bestrahlte Schicht beniitzt (Rekristalli- sation der Schicht und langsamere Diffusion des 02).

An dieser Stelle ist nur folgendes wichtig: Man kann nach einer Elektronenbe- strahlung durch Einlassen passender Mengen von Sauerstoff in die Apparatw die Leitfahigkeit der ZnO-Sehicht belhbig heruntersetzen und auf jedem Wert durch Abpumpen des Sauerstoffs festhalten. Auf diese Weise wird jetzt die Leitfahigkeit, der Schicht stufenweise heruntergesetzt und jedesmal Verlauf und Hochstwert des lichtelektrischen Stromes gemessen. Soweit die qualitative Beschreibung. Im nachsten Abschnitt folgen jetzt die quantitativen Ergebnisse.

Anmlen der Physik. 6. Folge. Band 3. 1948

4. Qnantitative Ergebnisse A. Shtionare Slronie

Die Abb. 5 zeigt zunachst eine Originalregistrierkurve der lichtelektrischen Strome, die mit verschieden groDer Bestrahlungsstarke B bei konstantem Dunkel- strom i, erhalten wurde. Die Bestrahlung erfolgte hier, wie bei allen spater dar- gestellten Messungen, mit 1 = 366 mp. Die Bestrahlungsstarke B,, am 01% der Schicht mit der Thermosaule gemessen, betrug

B, = 15,7 Watt/m2 = 2,91 - l O I 8 Quanten/niz . sec.

Die bestrahlte Schichtflache betrug stets 2,4 m a . Trotz dieser Absoliitbe- stimmung sind die Werte fur B nur relativ angegeben, da die Absolutwerte fur B,

von Meareihe zu MeBreihe etwas schwankten, wahrend sie innerhalb einer MeDreihe auf Ronstanz kontrollicrt wurden (siehe oben). GroBen- ordnungsmadig diirfen sie je- doch mit dem oben ange- gebenen Wert fur B, berechnet - werden. Dunkelstrom i, und die lichtelektrischen Strome sind init verschiedener Emp- findlichkeit des Galvanometers aufgenoinmen worden, dabei ist bei den lichtelektrischen

Abb. 6. Originalregistrierung 1ichtelektrischer.Stldme Stromen die Nullinie durch in ZnO bei veixichiedenen Bestrahlungsstarken dell konstanten lvert des

Dunkelstroines i, gegeben. Wie man sieht, ist der Hocbstwert des lichtelektrischen Stromes nicht proportional der Bestrahlungsstarke B.

- - t -

,

- r

E. Mollwo: Quantitalivea zur lielctelektrischen Leitung in Zinkoxyd 235

In Abb. 6 ist dieser Zusammenhang fiir eine anderc Messung in doppelt log- arithmischer Auftragung wiedergegeben. Der Dunkelstrom betrug 1,34 *

Ampere. In einem weiten Bereich, fast 3 Zehnerpotenzen, der Bestrahlungsstirke B gilt

i i = c o n s t . B . ( l a ) Bei sehr kleinen Bestrah- lungsstarken treten Ab- weichungen von diesem Ge- setz a d .

Die nachste Darstellung 'z Abb. 7 zeigt ebenfalls in $ doppeltlogarithmischer Auf- 3 tragung, wicder fur eine an- dere Schicht, wie bei konstant gehaltener Bestrahlungs- starko B = B, der licht- elektrische Strom i, von der GroBe des Dunkelstroms i, ro-;o-5 abhangt. Hier gilt, ebenfalls in einem grol3en Bereich, 4 zehnerpotenzen im ~ ~ ~ k ~ l - strom i,, Best rahlungsst arke

(1 b)

v

10-6 70-3 ro-? W" relative bestrehlungsstarke

Abb. 6. Zusammenhang zmschen dem stationLren Wert des lichtelektrischen Stromes und der

i: = const - ii . Urn zu zeigen, da13 die beiden Beziehungen ( l a ) und ( lb) unabhangig von

speziellen Werten von i, und B gelten, folgen jetzt zwei Darstellungen, die mehrere Kurven enthalten. Abb. 8 zeigt fiir eine weitere Schicht den Zusammenhang -

zwischen i L und B bei veranderlichem Dunkel- strom i,. Abb. 9 bringt' entsprechend fur dieselbe Schicht i, als Funktion von io mit B/Bo als Para- meter. Auf Grund dieser Befunde konnen wir in einem weiten Bercich den Zusammeahang zwischen den stationaren Werten des lichtelektrischen Stromes i,, des Dunkel- stromes i, und der Be- strahlungsstarkeB wieder-

Dunkektrom I; geben durch den Aus- - Abb. 7. Zusammenhang zwischen dem stationaren Wert des lichtelektrischen Stromes und Idem Dunkelstrom

(1) Die angegebenen Beziehungen konnten an allen untersuchten Schichteii reproduziert werden, doch war der Gultigkeitsbereich der G1. (1 b) an einigen Schichten kleiner, als die Abb. 6 ihn zeigt, eine Tatsache, die auch in Abb. 9 zum Ausdruck konunt.

druck i: = const . ii * B.

236 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 3. 1948

Tabelle 1 Dunkelstrom i, = 6 . 1 0 4 Amp. Bestrahlungsstiirke B w 1G Watt/mz.

Wellenliinge 1 = 366 mp

Schicht-Nr. . . . . . 1 2 I 3 I 4 j 17 j 18 1 21 j 22 j 23 j 24

Lichtstromi, . . . . 1 2,3 I 0,3 1 0,86 i 1,6 i 2 , l i 2,4 1 2,4 1 2,0 \2,1 * 10-"Amp

Einen uberblick uber die GroBenordnung der lichtelektrischen h o m e in ver- Bemerkenswert ist, daD bei allen unter- d i e d e n e n Schichten gjbt Tnbelle 1.

Amp r - T - r - - lo f A w J I [+a lo-* I

I I

1,s 10-5

zae 10-6

6.1 ?O-'

I 1 1 lo-+ ?o-= ?0-2 10+ 1

re/strve 0esimh~ungssr2rhe B/B,

Abb. 8. Zusammenhang zwischen dem stationiiren Wert drs liclitelektrischen Stromes und der Bestrahlungsstiirke

bei verschiedenem Dunlrelstrom

I I .

10-7 I0 -6 10 -5 70 -* I0 DunkeMrom i0

-4t.b. 9. Zusammenhang zwischen dem stationgren Wert dcs lichtelektrischen Stromes , und dem Dunkelstrorn bei

verschiedener Bestrahdungsstarke

suchten Schichten bei gleichen Bedingungen die lichtelektrischen Strome von der gleichen GroSen- ordnung sind. Auf diese Tatsache sei ausdriicklich hingewiesen, da eine solch gute Reproduzierbarkeit 1x4 Vorgangen in festen Korpern eine seltene AUP- nahine ist.

B. Einstellvorgange Rereits die in Abh. 5

wiedergegebenen Regi- strierkurven lassen klar verschiedene Steigungy der Kunwi beini Ein- und Ausschalten der Be- iichtung erkennen. Ihre Grol3e hangt von der Re- strahlungsstarke B ab. Noch deutlicher zeigt dqs Abb. 10, die cine direkte Umzeichnung von Aiif- iiahnien init deni Katho- denstrahloszillographeii

ist. Die in dieser Ab- hildung eingetragenen Tangenten lassen a u k - dcm dcn Unterschied zwi- schen den Steigungeii beini Eiii- iind Ausschal- ten der Belichtung fur eiii und dieselbe Kurt-e klar hervortreten.

Die quantitative Un- tersuchung des Strom- anstiegs (di'dt), bei ver- schiedenen Dunkel-

E. Mollzoo: Qzdantitatium ZUT l i e h t e l e ~ c k n Leitung in Zinkoxyd 237

stromen und Bestrahlungsstarken , o . ' ~ ~ zeigt, daB hderungen von io und B im gleichen Sinne wirken. In +

Abb. 11 ist (dildt), als Funktion von & . B/Bo f i i r eine Reihe ver- 2

schiedener Schichten aufgetragen. Danach laBt sich dieserzusammen- u hang matheinatisch daretellen durch den Ausdruck 4

(dildt), = const * io * B. (2) Eine analoge Darstellung fur den 2

Stromabfall (di/dt)* zeigt Abb. 12. Im Gegensatz zu Abb. 11 ist jedoch ' auf der Abszisse der Ausdruck ii/io aufgetragen, da fur eine sinnvolle .- physikalische Behandlung des Strom- { abfalls nach Ausschalten der Be- strahlung (B = 0) diese GroDen 3 2

zweckmii5iger erscheinen. Im ub- rigen ist im Giiltigkeitsbereich der 0

G1. (1) i i / io = const i, - B. Wie die Abbildung zeigt, liegen diesmal die MeBpunkte auf Geraden mit z

Formel lautet

2 2 1 15 10- ec

der Steigung d. h. die analytische 0 \ Zeit t

(dijdt), = const ii/i;la. (3) Abb. 10. Umzeichnungen von Oszillographen- kurpen dea Anstiegs und Abfalb lichtelektrischer Strtime bei verschiedener Bestrahlungsstiirke *

*'

q o v 70-' Amp

LhkeMvm-mhfiie aashah/npt3rhe r,.B/B,

Abb. 11. Anstieg der lichtelektrischen Striime in Abhiingigkeit von Dunkel-

strom md Bestrahlungastilrke Ann. Physik. 6. Folge, 13d. 3

Lichrshm3 2 Dunkelstroom I,,

Abb. 12. Abfall der lichtelektrischen Striima in Abhiingigkeit vom Dunkelstrom und vom stationiiren Wert des lichtelektrischen Stromes

16

?

238 Annalen der Phyaik. 6. Folge. Band 3. 1948

28,G 12,9 6,'L 3,(l

Das Verhaltnis beider Steigungen V = (dijdt),,'(dijdt)2 ist stets groBer als 1. Sein Wert hiingt entscheidend von dem Verhaltnis iL/io ab. Fur i, << io wircl V praktisch = 1. Mit wachsendem iL/io wachst auch V und wird bei hinreichend groBem i , etwa proportional iL&. Fur eine quantitative Bestimmung der Abhiin- gigkeit reicht die Mebgenauigkeit jedoch nicht aus. Die groaten einwandfrei ge- messenen Werte liegen bei l'= 5,5.

Zuni SchluB dieses Abschnittes bringt Tabelle 2 fur eine einzelne MeBreihc eine Zusamrnenstellung der gemessenen GroBen niit den nach G1. (l), (2) und (3) bc-

10,8 5,s 2,s -

rechncten Konstanten.

Tabelle 2 B, = 16 Watt/m*, A = 366 mp

1 0,5 0,25

0,061 O,E3

0,125

rl

4 1 5

2,65 "35 2,2

1,25 1 9 1

dwerte:

-

- 9

6. Erganzende Eiuzelheiteii In1 Hinblick auf die Frege nach den1 elektrischen und optischen Verhalten des

ZnO muwen und sollen auBer den bis jetzt mitgeteilten Messungen noch eine Reihe anderer Fragen quantitativ untersucht werden, von denen wir nur die spektrale Abhangigkeit der lichtelektrischen Wirkung, ihre Temperaturabhangigkeit und ihren Zusammenhang mit, der Lumineszenz erwlhnen. Die Vorversuche zur Be- stimmung der epektralen Vcrteilung zeigen fur die stationaren licbtelektrischen Stromc i,, bezogen auf gleiche auffallende Bestrahlungsstarke mit Hilfe yon GI. (l), ein stilrkes Anwachsen zum ultravioletten Spektralgebiet, offenbar niit einem Maximum bei etwa 334 nip. Die in dieser Arbeit fur Bestrahlung mit dcr Wellenlange A = 366 nip beschriebenen Zusammenhange scheinen im wesentlichcn auch fur Bestrnhlungen niit andeien Wellenlaiigen zu gelten.

Fur die anderen Fragenkomplrxe liegen nur orientierende Messungen vor, so dab auf cine Besprechung verzichtet werden soll. Dagegen mu13 noch auf eine Er- scheinung eingegangen werdeii, die bereits bei den bisherigen Versuchen deut- lich und mehr oder weniger rtorcnd hervortrat. Nach Erreichen des stationaren lichtelektriechen Stronies iz2 zeigt sich stets ein langsanies weiteres Ansteigen des Stromes. Dieeer Anbtieg ist mindestens naherungsweise unabhangig \-on der

E. Mollwo: Quantitative8 ZUT lichtelektrhchen Leitung in Zinkoxyd 239

GroBe des jeweils vorhandenen Dunlrelstron~s und nur abhangig von der Bestrah- lungsstarke, mit der er anwachst. Er jst daher bei hohen Dunkelstromen und dem- entsyrechend groUen lichtelektrischen Stromen kaum merkbar, wahrend er bei kleinen Dunkelstromen und denselben 5oBen Bestrahlungsstarken nicht zu uber- sehen ist. Nach Abschalten der Lichteinstrahlung erfolgt dann, auder dem bereits bekannten Stromabfall , zusatzlich ein weiteres sehr langsames Absinken des Stromes auf den urspriinglichen Wert des Dunkelstromes. Nach langerer Lichteinstrahlung bleibt jedoch eine dauernde Erhohung des Dunkelstroms zuriick. In uberein- stimmung hiermit 1a13t sich in einer noch nicht mit Elektronen bestrahlten Schicht mit unmeI3barer Leitfahigkeit lediglich durch langere Lichteinstrahlung im Hoch- vakuum eine dauernde ,,Dunkelleitfahigkeit" erzeugen, die sich, ebenso wie die durch Elektronenbeschd erzeugte, durch Sauerstoffeinwirkung wieder beseitigen la&. So lange sie vorhanden ist, ergibt kurzzeitige Lichteinstrahlung die im vorigen Abscbnitt ausfiihrlich beschriebenen Erscheinungen. Die spektrale Verteilung dieser langsamen Leitfiihigkeitserhohung durch Lichteinstrahlung, redu- zicrt auf gleiche Bestrahlungsstarken, zeigt einen starken Anstieg nach kurzen U'ellenlangen.

Zusammentassung Die in dieser Arbeit wiedergegcbenen Ergebnisse sind hier absichtlich ohne jede

Deutung gelassen. Eine solche bringt die folgende Arbeit. In dieser beschranken wir uns vollkommen auf die Tatsachen. Diese lauten in kurzer Zusammenfassung:

1. Diinne Schichten aus ZnO zeigen infolge einer Bestrahlung mit Elektronen im Hochvakuum eine anhaltende Leitfahigkeitssteigerung um viele Zehnerpo- tenzen.

2. Durch Einwirkuiig von Sauerstoff auf bestrahlte Schichten bei Zimmer- temperatur laBt sich der Ausgangszustand der Leitfahigkeit wieder herstellen. Da- bei werden andere Parameter, die das elektrische Verhalten des ZnO niitbestimmen, offenbar nicht geandert.

3. Diinne ZnO-Schichten mit Dunkelleitfahigkeit zeigen t e i Bestrahlung mit violettem oder ultraviolettem Licht reversible Leitfahigkeitssteigerungen. Der infolge der Leitfahigkeitss6eigerung flieI3ende stationare lichtelektrische Stroni i, hangt vom Dunkelstrom i, und der Restrahlungsstarke B ab nach der Gleichung

iQ =: const - ii. B.

Stromanstieg und Stromabfall beim Ein- bzw. Ausschalten der Belichtung lassen sich darstellen durch

(dildt) , = const - i,B, (di/dt), = eonst + i ~ l i ~ l ~ .

4. Langdauernde Lichteinstrahlung in Schichten mit unmedbarer Leitfahig- keit fiihrt im Hochvakuum, wie eine Elektronenbestrahlung, zu einer Leitfahig- keitserhohung, die nur durch Sauerstoffeinwirkung beseitigt werden kann. Dieser ProzeB iiberlagcrt sich den unter 3 genannten Leitfahigkeitsanderungen.

G o t t ingen , I. Physikalisches Institut der Universitat.

(Bei der Redaktion eingegangen am 24. April 1948.) 16*