diffuusiovirtauksiin

Diffuusiovirtaukset ovat aineen tai kantajien liikkumista, joka johtuu pitoisuuksien gradientista ja pyrkii tasoittamaan pitoisuuksia. Ne ovat keskeisiä ilmiöitä muun muassa puolijohteissa, elektrolyytteissä ja biologisissa järjestelmissä. Diffuusiovirta kuvaa siis sitä liikettä, joka syntyy, kun pitoisuuksia on epätasainen.

Fickin laeilla kuvataan diffuusion perusilmiö. Diffuusion virran tiheys J_diff on -D ∇c, missä D on diffuusion vakio ja ∇c pitoisuustiheyden gradientti. Puolijohteissa diffuusion virta jakautuu elektronien ja aukkojen osalta: J_n^diff = -q D_n ∇n ja J_p^diff = -q D_p ∇p. Näissä elektroni ja aukko voivat diffundoitua kohti pienemmän pitoisuuden alueita.

Diffuusion virta voi esiintyä yhdessä drift-virran kanssa, jota aiheuttaa sähkökenttä. Siten kokonaisvirta on J = J_drift + J_diff, missä J_n^drift = q μ_n n E ja J_p^drift = q μ_p p E. PN-rajassa tasapainossa drift- ja diffuusion virrat kumoavat toisensa, ja nettovirta on nolla.

Diffuusiokäsitteisiin liittyy usein diffuusioetäisyys ja diffuusiosäde. Diffusion length L on etäisyys, jonka kantajat voivat diffundoitua ennen recombinaatiota; L = sqrt(D τ), missä τ on kantajan elinikä.

Elektrolyytteissä diffuusio- ja migraatiovirtoja kuvaa Nernst-Planckin yhtälö: J_i = -D_i ∇c_i + z_i μ_i c_i E, jossa toinen termi kuvaa migraatiota sähkökentän vaikutuksesta. Diffuusiovirtoja tuotetaan kivijaloine sekä kelakuvaukset, ja niitä hyödynnetään niin elektrolyyttien analysoinnissa kuin biomolekyylien liikuttelussa.

Sovelluksina diffuusiovirtaukset ovat keskeisiä puolijohdejärjestelmissä, kuten diodien ja aurinkokennojen toiminnassa, sekä elektrolyyttien ja sensorien mallinnuksessa. Niiden tunteminen on tärkeää laitosten suorituskyvyn ja energiatehokkuuden kannalta.