Ladungstransport

Der Ladungstransport bezeichnet die Bewegung elektrisch geladener Teilchen in Materialien. Je nach System umfasst er Elektronen und Löcher in Halbleitern oder Ionen in Elektrolyten. Er entsteht durch zwei grundsätzliche Mechanismen: Drift, bedingt durch ein äußeres elektrisches Feld, und Diffusion, verursacht durch Konzentrationsunterschiede.

In Festkörpern lässt sich der Ladungstransport durch Modelle wie das Drude-Modell oder durch die Bandstruktur beschreiben. Die Stromdichte J ergibt sich aus der Trägerdichte und der Mobilität: J = q n μ_n E + q p μ_p E; zusammengefasst in J = σ E mit der Leitfähigkeit σ = q(n μ_n + p μ_p). Die Diffusion wird durch den Diffusionskoeffizienten D beschrieben; die Einstein-Beziehung lautet D = μ kT / q. Die Kontinuitätsgleichung ∂ρ/∂t + ∇·J = 0 regelt die zeitliche Veränderung der Ladungsträgerdichte.

Je nach Material spielt der Transportmechanismus eine unterschiedliche Rolle. In kristallinen Halbleitern dominiert Bandtransport, bei dem Elektronen im Konduktionsband oder Löcher im Valenzband getragen werden. In organischen oder stark disordered Materialien kann auch Hoppen-Transport wichtig sein. In Elektrolyten erfolgt der Transport primär durch Migration von Ionen, getrieben durch Felder oder Konzentrationsgradienten; Wechselwirkungen und Rekombination beeinflussen dabei Freisetzung und Beweglichkeit der Ionen.

Der Ladungstransport ist grundlegend für Elektronik, Optoelektronik und Energiespeicher. Er wird experimentell durch Hall-Messungen zur Bestimmung von Trägerdichte und Mobilität sowie durch Impedanzspektroskopie in Elektrolyten untersucht.