4.2.2 Integration über die ortsveränderliche Zustandsdichte



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4.2.2 Integration über die ortsveränderliche Zustandsdichte

In den zuletzt beschriebenen Formeln ist eine mittlere Zustandsdichte enthalten, die erst bestimmt werden muß. Dabei stellt sich die Frage nach der Mittelungsvorschrift. Man könnte die Zustandsdichte selbst linear von der Ortskoordinate abhängen lassen, oder deren Kehrwert. Besonders interessant wäre auch eine exponentielle Veränderung der Form

 

weil diese einen konstanten Term

 

in der treibenden Kraft bewirkt.

Allen diesen Möglichkeiten steht das Integral

 

aus (4.19) gegenüber, bei dem der Anteil auf jener Seite, wo groß ist, ein wesentlich größeres Gewicht hat als der gegenüberliegende. Darauf sollte bei der Mittelung Rücksicht genommen werden.

Will man überhaupt als ortsveränderlich in die Rechnung einbeziehen, so spielt ebenfalls dieses Integral eine entscheidende Rolle. Es muß ein funktionaler Verlauf der Zustandsdichte gefunden werden, der die folgenden minimalen Voraussetzungen garantiert:

  1. Monotonie zwischen und .
  2. Anpassung an die Randbedingungen und .
  3. (Einfache) Auswertbarkeit des Integrals zur Stromberechnung.
  4. (Einfache) Auswertbarkeit der mittleren inversen Trägerkonzentration.
Besonders der letzte Punkt stellt eine entscheidende Einschränkung dar. Eine lineare Veränderung der Zustandsdichte oder ihrer Inversen führt zu relativ komplizierten Ausdrücken für die Stromdichte (das wäre noch kein großes Problem), die keine geschlossene Integration der reziproken Trägerkonzentration zulassen. Eine numerische Integration kommt jedoch im Rahmen der Anforderungen an das Programm nicht in Frage, weil sie nicht nur eine drastische Einbuße an Ausführungsgeschwindigkeit des Gesamtprogramms brächte, sondern auch nur schwer nach allen Einflußgrößen abzuleiten wäre. Das würde der nur schwach veränderlichen Zustandsdichte, deren Einfluß auf die Lösung ohnehin gering ist, unverhältnismäßig viel Aufmerksamkeit widmen.

Aus diesen Gründen wurde für die Zustandsdichte die Ansatzfunktion

 

gewählt. Diese Funktion, die sich auch als

 

schreiben läßt, wobei die Verschiebungskonstante durch den Verlauf der Temperatur bestimmt wird, stellt sich zunächst als unmotivierter Ansatz dar: Warum sollte die Zustandsdichte in irgendeiner Form von der Trägertemperatur abhängen?

Man kann jedoch das gesamte Integral (4.33) betrachten und daraus die Erkenntnis gewinnen, daß bei der Integration auf jener Seite, wo groß ist, ein Übergewicht herrscht (wie bereits oben erwähnt wurde). Insofern wird die gegebene Ansatzfunktion den tatsächlichen Wert des Integrals zumindest besser approximieren als eine plump gemittelte konstante Zustandsdichte .

Für den Grenzfall nähert sich die Ansatzfunktion (4.34) der Funktion (4.31) asymptotisch an; für diesen Fall verschwindet daher die Abhängigkeit von .

Für den anderen Grenzfall ist die Ansatzfunktion konstant, das heißt, daß homogene Materialien exakt beschrieben werden.

Im Fall sehr großer und sehr kleiner Unterschiede zwischen und nähert sich die Ansatzfunktion einer Sprungfunktion, die fast im ganzen Gebiet nahe bei jener Zustandsdichte liegt, die auf der Seite mit dem größeren anzutreffen ist. Diese Funktion mag intuitiv nicht sehr günstig erscheinen, aber sie approximiert das Integral (4.33) gut, weil dieses ebenfalls die Seite mit dem größeren überbetont. Jedenfalls ist sie einer konstanten, ohne Einwirkung des Verlaufs von gemittelten Zustandsdichte vorzuziehen.

Insgesamt überwiegen die Vorteile, die die Funktion (4.34) bietet, gegenüber den Bedenken, die sie verursacht. Schließlich soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß die Größe ohnehin relativ schwach veränderlich ist und daß die Vorteile, die der ortsveränderliche Ansatz bietet, vor allem im Vermeiden einer expliziten Mittelung und in einer strukturellen Verbesserung der Stromdichteformel liegen.

Mit der Zustandsdichte nach (4.34) kann man die Rechnung analog durchführen, muß aber im weiteren Verlauf von der relativen Trägerkonzentration auf die absolute übergehen. Man setzt statt (4.18) den Term

 

konstant und erhält für das Integral statt (4.19):

 

Die Lösung der Differentialgleichung (4.14) ergibt daher für die relative Trägerkonzentration

 

und für die absolute Trägerkonzentration

 

Anpassung an die Randbedingungen

 

ergibt für die beiden Konstanten und :

  

Mit der Hilfsvariablen

 

ergibt sich die folgende Formel für die Stromdichte:

 

Das gleicht dem Ergebnis in (4.26), wenn man nach der Vorschrift

 

mittelt, wobei als aus Gleichung 4.43 und als aus Gleichung 4.25 zu entnehmen ist; die Definition von folgt unmittelbar. Eine andere Sichtweise des getroffenen Ansatzes für ist also die Mittelung von nach (4.45).

Auch die mittlere inverse Trägerkonzentration läßt sich analog auswerten. Die Hilfsvariable

 

bleibt erfreulicherweise gleich, und mit der Definition der reziprok gemittelten absoluten Trägerkonzentration

 

kann man diese bestimmen zu:

 



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Martin Stiftinger
Fri Oct 21 18:22:52 MET 1994