4.3 Energiebilanz und Gibbs Fundamentalform



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4.3 Energiebilanz und Gibbs Fundamentalform

Im vorigen Kapitel wird zur Herleitung der Entropiebilanzgleichung die Gibbs Fundamentalform für die totale innere Energie (Gesamtenergie) (3.35) zusammen mit dem Erhaltungssatz (3.31) für verwendet. Dabei wird der Halbleiter mitsamt der potentiellen Energie des externen (angelegten) und internen (eingebauten) Feldes als thermodynamisches System betrachtet.

Eine alternative, thermodynamische Behandlungsweise des dotierten Halbleiters unter dem Einfluß eines angelegten Potentials geht von der Gibbs Fundamentalform für die innere Energie (im eigentlichen Sinn) aus [199]. Sie wird sinngemäß auch in der klassischen Theorie der Thermoelektrizität für Metalle angewandt [180].

 

Die Gibbs Fundamentalform (4.17) entspricht der klassischen thermodynamischen Betrachtungsweise eines Festkörpers, der Energie nur in Form von Wärme und chemischer Energie austauschen kann. bezeichnet die chemische Energie der Elektronen, die der Löcher. Gl. (4.17) stellt ein thermodynamisches Modell des intrinsischen Halbleiters dar. Angelegte und eingebaute Felder werden externen Makropotentialen zugeordnet, die zur potentiellen Energie der Ladungsträger beitragen. Die Gesamtenergie ergibt sich wie in Gl. (3.30) als Summe der potentiellen Energie und der inneren Energie (im eigentlichen Sinn) . Die potentielle Energie ist durch das elektrostatische Potential ausdrückbar:

 

ist das eingebaute Potential, das angelegte Potential.

Faßt man Gl. (3.30) und (4.18) zusammen, um in Abhängigkeit von und auszudrücken und in Gl. (4.17) einzusetzten, ergibt sich die Gibbs Fundamentalform für die Gesamtenergie :

 

und bezeichnen - wie in (3.35) - Quasifermipotentiale der Elektronen und Löcher. Gl. (4.19) enthält im Unterschied zu Gl. (3.35) einen zusätzlichen Term, der die zeitliche Änderung der potentiellen Energie aufgrund der zeitlichen Änderung des elektrostatischen Potentials ausdrückt.

Weil die korrespondierende Energiebilanzgleichung den gleichen Ausdruck als Quellterm enthält,

 

kürzt er sich bei der Herleitung der Entropiebilanzgleichung weg [115],[180], [199]. Aus den Gl. (4.19) und (4.20) folgt die bekannte Entropiebilanzgleichung (3.36) mit dem Wärmefluß (3.37).

Die Gibbs Fundamentalform (4.17) für kann auch direkt zur Herleitung der Entropiebilanzgleichung verwendet werden, wenn die für geltende Bilanzgleichung bekannt ist.



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