Ladungsträgerdynamik

Ladungsträgerdynamik beschreibt die zeitliche Entwicklung von Ladungsträgern in Materialien und Bauelementen. Typische Träger sind Elektronen und Löcher in Halbleitern sowie Ionen in Elektrolyten. Die Dynamik umfasst Erzeugung, Trennung und Rekombination von Ladungsträgern sowie deren Transport durch Drift in elektromotorische Felder und Diffusion infolge von Konzentrationsunterschieden. Zentrale Größen sind Ladungsträgerdichte, Stromdichte, Mobilität μ und Diffusionskoeffizient D. Mithilfe der Kontinuitätsgleichungen werden räumliche und zeitliche Veränderungen der Trägerdichten beschrieben, wobei Erzeugung G, Rekombination R sowie der Divergenz der Ströme J_n und J_p eine Rolle spielen.

Die Ströme werden durch Drift und Diffusion angetrieben. J_n = q μ_n n E + q D_n ∇n; J_p = q μ_p p E − q D_p ∇p. Die Einstein-Beziehung D = μ k_B T / q verbindet Diffusion und Mobilität. Elektrostatische Felder ergeben sich aus der Poisson-Gleichung, die den Zusammenhang zwischen Ladungsträgerdichte und Potenzialfeld herstellt. Trapping an Defekten, Rekombination (radiativ, nichtradiativ, Auger) sowie Trennungen an Grenzflächen und Kontakten bestimmen zeitliche Abläufe und Lebensdauern der Träger.

Anwendungen finden sich in der Halbleitertechnik (Transistoren, Solarzellen, LEDs), in elektrochemischen Systemen (Batterien, Superkondensatoren) sowie in organischen Schichten und Grenzflächen. Die zeitliche Dynamik reicht von Femtosekunden (Erzeugung und ultrakurze Relaxationen) bis zu Mikrosekunden bis Millisekunden (Transport über größere Distanzen, Rekombination). Experimentell werden Methoden wie zeitaufgelöste Photolumineszenz, transiente Photokonduktivität und Impedanzspektroskopie eingesetzt, um Mobilitäten, Lebensdauern und Transportmechanismen zu charakterisieren.