3.1.3 Ladungsträgerkontinuitätsgleichungen



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3.1.3 Ladungsträgerkontinuitätsgleichungen

Die erste Maxwellgleichung ist der Ausgangspunkt für die Herleitung der Ladungsträgerkontinuitätsgleichungen für Elektronen und Löcher. Wendet man den Divergenzoperator auf die erste Maxwellgleichung (3.1) an, ergibt sich:

Mit Hilfe der dritten Maxwellgleichung (3.3) kann die Divergenz der elektrischen Verschiebung auf die Raumladungsdichte zurückgeführt werden:

 

Gleichung (3.18) drückt die Erhaltung der Ladung aus. Die zeitliche Raumladungsänderung ist gleich der negativen Divergenz der Gesamtstromdichte.

Im Halbleiter muß die Gesamtstromdichte als Summe einer Elektronenstromdichte und Löcherstromdichte geschrieben werden [18], [168]:

 

Setzt man Gl. (3.14) und (3.19) in Gl. (3.18) ein, erhält man:

 

Unter der Annahme, daß alle Dopanden vollständig ionisiert sind, sind die Akzeptor- und Donatorkonzentrationen zeitunabhängig und es gilt:

 

Wegen Gl. (3.21) ist die rechte Seite von (3.20) der zeitlichen Änderung lediglich der beweglichen Ladungsträger gleichzusetzen.

Definiert man eine Nettorekombinationsrate pro Einheitsvolumen [168], kann Gleichung (3.20) als Summe zweier Kontinuitätsgleichungen begriffen werden:

  

Die Rekombinationsrate ist positiv, wenn eine Nettorekombination, d.h. ein Abbau eines Ladungsträgerüberschusses stattfindet. Es ist anzumerken, daß aus den Maxwellgleichungen keine weiteren Aussagen zu und , abgeleitet werden können.

Eine andere, sehr einfache Möglichkeit Gl. (3.22) und (3.23) zu gewinnen, ist der Ansatz einer allgemeinen Bilanzgleichung (2.165) für die Masseerhaltung in Form von Teilchenkonzentrationen und . Dabei muß die Teilchenrekombinationsrate negativ genommen werden. Die Ladungskontinuität ergibt sich anschließend durch Multiplikation der Gleichung mit der negativen Elementarladung für Elektronen bzw. für Löcher.

Es ist zweckmäßig und ohne einschränkende Annahmen möglich, die Stromrelationen wie folgt darzustellen:

  

, werden als Driftgeschwindigkeiten für Elektronen bzw. Löcher bezeichnet, , als treibende Kräfte. Aus Gleichungen (3.24),(3.25) folgt unmittelbar:

    

, werden als Beweglichkeiten bezeichnet. , heißen elektrische Leitfähigkeiten.



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Martin Stiftinger
Sat Jun 10 15:00:12 MET DST 1995