Ladungsträgerbewegung

Ladungsträgerbewegung beschreibt die räumliche und zeitliche Bewegung von Ladungsträgern in Materialien, insbesondere in Halbleitern. Typische Ladungsträger sind Elektronen und Löcher. In Metallen verhalten sich Elektronen als freie Ladungsträger; in Halbleitern treten zusätzlich Lochträger auf, deren Verhalten durch das Zusammenspiel von Feld und Konzentrationsunterschieden bestimmt wird.

Zwei grundlegende Mechanismen bestimmen die Ladungsträgerbewegung: Drift und Diffusion. Drift tritt auf, wenn ein äußeres elektrisches Feld die Träger beschleunigt, wodurch eine Driftgeschwindigkeit v_d entsteht, die proportional zum Feld ist (v_d = μE, mit μ der Mobilität). Diffusion entsteht durch räumliche Konzentrationsunterschiede und führt zu einem Fluss von Trägern von Bereichen höherer zu niedrigerer Konzentration. Die resultierenden Ströme lassen sich zusammen als D+Drift-Flüsse ausdrücken, zum Beispiel der Elektronenstrom J_n = q n μ_n E + q D_n ∇n, analog für Löcher.

Mobilität μ und Diffusionskoeffizient D sind material- und temperaturabhängig; D steht oft in der Einstein-Beziehung D = μ kT/q. Streuung durch Phononen, Defekte oder Dotierung beeinflusst μ stark. Die Ladungsträgerbewegung wird durch Rekombination und Generation sowie durch Rand- und Grenzbedingungen in Bauelementen limitiert. Die Kontinuitätsgleichung beschreibt zeitliche Änderungen der Trägerdichten unter Berücksichtigung der Ströme sowie G und R (Erzeugung/Markerückführung).

Bedeutung: Die Ladungsträgerbewegung ist das zentrale Prinzip für elektronische Bauelemente wie Dioden, Transistoren, Solarzellen und Sensoren. Typische Kenngrößen wie Diffusionslänge L_D = sqrt(D τ) und Mobilitäten bestimmen Leistung, Geschwindigkeit und Effizienz dieser Bauelemente.