2.2.3 Das Streuintegral



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2.2.3 Das Streuintegral

 

Bei der quantenmechanischen Herleitung der Boltzmanngleichung wurde das Streupotential vernachlässigt. Das Ergebnis war die homogene Gleichung 2.26. Der Einfluß des Streupotentials wird nun durch einen Quellterm auf der rechten Seite der Boltzmanngleichung berücksichtigt. Es handelt sich dabei um eine statistische Beschreibung, wobei die Streurate die Wahrscheinlichkeit pro Zeit angibt, mit der ein Teilchen von einen kleinen Volumen um in ein kleines Volumen um gestreut wird. Für klassische Teilchen kann dieser Quellterm angegeben werden als [40]

 

Das Integral der Streurate über alle möglichen Endzustände wird als totale Streurate bezeichnet,

 

Mit dieser Definition läßt sich das Streuintegral 2.36 in die Form

bringen. Der Einfluß der in den Zustand hineingestreuten Teilchen wird durch einen Integraloperator, der auf die Verteilungsfunktion wirkt, beschrieben, während zur Beschreibung der aus herausgestreuten Teilchen ein einfacher Multiplikationsoperator ausreicht.

Im thermodynamischen Gleichgewicht verschwindet die linke Seite der Boltzmanngleichung. Dazu müssen entweder das Kraftfeld und der örtliche Gradient der Verteilungsfunktion verschwinden, oder das Kraftfeld wird genau durch den Diffusionsterm kompensiert. Dann verschwindet auch das Streuintegral, und als Lösung läßt sich die Maxwell-Boltzmann-Verteilungsfunktion angeben,

 

Darin bedeuten die Fermienergie, die potentielle Energie am Ort (entspricht der Leitungsbandkante) und die Bandstruktur im -Raum, die der kinetischen Energie entspricht. Die Boltzmannkonstante wird durch , die Temperatur des Halbleiters durch dargestellt.

Elektronen verhalten sich jedoch auch in der semiklassischen Näherung nicht wie klassische Teilchen, sondern unterliegen den Pauli-Verbot. Bei der Formulierung des Streuintegrals muß in diesem Fall bei einem Übergang von nach auch die Wahrscheinlichkeit berücksichtigt werden, daß der Endzustand unbesetzt ist. Diese Wahrscheinlichkeit beträgt . Das Streuintegral lautet dann

 

Mit diesem Streuintegral ergibt sich als Gleichgewichtsverteilung die Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion

Diese Beschreibung muß für entartete Halbleiter verwendet werden, wenn also die Fermienergie über der Bandkante liegt, oder wenn sie nur knapp unterhalb liegt. Dies ist für sehr hohe Trägerkonzentrationen der Fall. Es ist leicht zu erkennen, daß die Boltzmanngleichung mit diesem Stoßterm nichtlinear wird und folglich das Auffinden einer Lösung erheblich erschwert wird.

In vielen Anwendungen der Bauelementsimulation sind die Trägerdichten hinreichend klein, sodaß und ist und somit das Streuintegral 2.40 näherungsweise in 2.36 übergeht.



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Martin Stiftinger
Wed Oct 12 11:59:33 MET 1994