Ladungsträgerdichten

Die Ladungsträgerdichten bezeichnen die Konzentrationen der elektrisch leitenden Träger in einem Festkörper, typischerweise Elektronen und Löcher in Halbleitern. Oft werden sie mit n für die Elektronendichte und p für die Lochdichte angegeben. Die Einheit ist üblicherweise cm^-3. Die Ladungsträgerdichten bestimmen maßgeblich die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters.

Im thermochemischen Gleichgewicht eines intrinsischen Halbleiters gilt n = p = ni, wobei ni die intrinsische Ladungsträgerdichte ist. Durch Dotierung verschieben sich die Gleichgewichtsverhältnisse: In n-Typ-Dotierung dominiert n, in p-Typ-Dotierung dominiert p. Im Gleichgewicht gilt zudem np = ni^2. Unter Nicht-Gleichgewicht, zum Beispiel bei Beleuchtung oder Stromanregung, kann dieses Produkt vergrößert sein, weil zusätzliche Elektronen-Löcher-Paare erzeugt werden; erst durch Rekombination erreichen System und Träger ein neues Gleichgewicht.

Die Ladungsträgerdichten beeinflussen maßgeblich die Leitfähigkeit eines Halbleiters. Die elektrische Leitfähigkeit ist gegeben durch sigma = q (mu_n n + mu_p p), wobei q die Elementarladung und mu_n, mu_p die Mobilitäten der Elektronen bzw. Löcher sind. Neben der Leitfähigkeit bestimmen n und p auch die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren und Solarzellen.

Messmethoden zur Bestimmung der Ladungsträgerdichten umfassen den Hall-Effekt, die Capacitance-Voltage-M Profiling (C-V), sowie optische Verfahren wie Photolumineszenz. Die Werte hängen stark von Temperatur, Dotierung, Defekten und externen Stimuli ab und ermöglichen damit die Charakterisierung und Optimierung halbleitender Bauelemente.