3.1.2 Anisotropie und Nichtparabolizität



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3.1.2 Anisotropie und Nichtparabolizität

Das Modell, das im weiteren verwendet wird, berücksichtigt die sechs tiefsten Minima des Leitungsbandes. Diese liegen auf den Achsen des -Raumes in der Nähe der X-Punkte, genauer bei 85% des Abstandes zwischen -Punkt (Nullpunkt) und dem X-Punkt (Randpunkt der Brillouinzone). Die nächst höheren Minima liegen bei Silizium in den L-Punkten (Punkte in Richtung am Rand der Brillouinzone) mit einem Abstand von zu den X-Minima. In Silizium spielen diese höheren Minima für den Stromtransport, im Gegensatz zu GaAs, keine wesentliche Rolle. Daher werden diese im vorliegenden Modell vernachlässigt.

 
Abbildung 3.2: Flächen konstanter Energie für Elektronen  

Die X-Täler sind stark anisotrop, mit einer Rotationssymmetrie um die jeweilige Achse. Sie werden mit einer longitudinalen und einer transversalen effektiven Masse bzw. modelliert,

 

wobei eine Funktion der Energie, die sogenannte Bandformfunktion, bezeichnet. Flächen konstanter Energie bilden also Ellipsoide im -Raum (Abbildung 3.2). Für weitere analytische Rechnungen und für die Implementierung in einem Programm ist die Darstellung in Kugelkoordinaten zweckmäßig. Dies wird mit der Transformation nach Herring und Vogt erreicht [49], die im folgenden hergeleitet wird.

Die Beziehung 3.4 kann auch durch den inversen Effektive-Masse-Tensor 3.2 dargestellt werden, der in unserem Modell Diagonalform besitzt,

 

Um zu einer Transformationsmatrix zu gelangen, sind verschiedene Ansätze möglich,

 

 

In der Literatur wird üblicherweise der erste Ansatz verwendet. Für die Implementierung in einem Computerprogramm ist jedoch der Ansatz 3.7 vorteilhaft. Bei diesem Ansatz besitzt die Transformationsmatrix zwei Einsen in der Hauptdiagonale, womit bei der Ausführung der Transformation Multiplikationen eingespart werden.

Mit Hilfe der Transformationsmatrix nach Gleichung 3.7 läßt sich die Bandformfunktion 3.5 darstellen als

 

Der nun zusätzlich eingeführte Index gibt die Orientierung des Ellipsoides an. Explizit lauten die Transformationsmatrizen

Es ist nun zweckmäßig, durch die Transformation

 

zu einer Beschreibung im Raum überzugehen, in dem die Täler isotrop erscheinen,

 

Integrationen können nun in Kugelkoordinaten wesentlich einfacher ausgeführt werden, wobei berücksichtigt werden muß, daß sich auch das Volumenelement transformiert,

 

Für die Dispersionsrelation soll die schon erwähnte Nichtparabolizitätskorrektur verwendet werden

 

worin als Nichtparabolizitätsfaktor bezeichnet wird. Die parabolische Näherung geht daraus durch hervor. Die in dieser Gleichung implizit gegebene nichtparabolische Bandform lautet nach der Energie aufgelöst

 

 

In der zweiten Darstellung wurde die Singularität bei durch eine einfache Umformung behoben.



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Martin Stiftinger
Wed Oct 12 11:59:33 MET 1994