6.1.3 Die Impulsstreurate



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6.1.3 Die Impulsstreurate

In die Gleichung 6.12, die die nichtlokale Beweglichkeit beschreibt, geht der Mittelwert über die Impulsverlustrate

 

ein. Da die Streurate bekannt ist, kann man versuchen, dieses vektorwertige Integral analytisch auszuwerten.

Zunächst wird wieder die Herring-Vogt-Transformation ausgeführt, damit man zu einer isotropten -Beziehung gelangt. Unter dieser Bedingung hängt die Streurate nicht mehr vom Azimutwinkel ab, sondern nur noch von den Beträgen der Wellenvektoren und und dem Winkel zwischen und

Mit dieser Beziehung kann man zeigen, daß die Impulsverlustrate im isotropen -Raum dieselbe Richtung besitzt wie der Impuls vor der Streuung. Das Ergebnis einer einfachen formalen Rechnung lautet

 

Das Integral auf der rechten Seite kann als Kehrwert der Impulsrelaxationszeit interpretiert werden. Üblich ist auch der Begriff der Impulsstreurate ,

 

Für isotrope Streumechanismen gilt, daß die Richtung des Wellenvektors nach der Streuung über dem Raumwinkel gleichverteilt ist. Die Streurate ist deshalb nicht nur von , sondern auch von unabhängig,

In diesem Fall verschwindet bei der Integration in Gleichung 6.17 jener Term, der enthält, und es bleibt exakt der Ausdruck für die totale Streurate übrig. Es ist also ganz allgemein für isotrope Streumechanismen die folgende Beziehung gültig,

 

Die isotropen Streumechanismen, die in dem hier verwendeten Modell für Silizium vorkommen, sind die akustische und optische Phononenstreuung sowie die Grenzflächenstreuung. Die Coulombstreuung ist als einzige anisotrop, weshalb eine Abweichung der Impulsstreurate von der totalen Streurate auftritt (siehe Abschnitt 3.4.2).

Unter der Voraussetzung, daß die Streumechanismen unabhängig voneinander sind, erhält man die gesamte Impulsstreurate durch die einfache Superposition der einzelnen Impulsstreuraten,

Darin bedeutet die totale Streurate bei Emission des n-ten Phonons (Gleichung 3.49), und die totale Streurate bei Phononenabsorption (Gleichung 3.47). Auf Grund der Isotropie ist in dieser Summe die Verwendung der totalen Streurate für die Phononen- und für die Grenzflächenstreuung gerechtfertigt (siehe Gleichung 6.19). Einzig im Fall der Störstellenstreuung muß die Impulsstreurate explizit verwendet werden. Außerdem konnte in dieser Gleichung auf Grund der isotropen Bandstruktur als Argument die Energie anstatt des Wellenvektors eingeführt werden.

Um die Impulsverlustrate im physikalischen -Raum zu erhalten, muß noch die Herring-Vogt-Rücktransformation durchgeführt werden

Die Transformationsmatrix ist nicht konstant. In Abhängigkeit von der Orientierung des jeweiligen Energieellipsoides nimmt sie einen von drei Werten an, weshalb sie in die Mittelwertbildung einbezogen werden muß und nicht herausgezogen werden darf.

Eine gute Möglichkeit, das Monte-Carlo-Programm zu überprüfen, besteht darin, für konstantes Feld die mittlere Impulsverlustrate auszuwerten. Macht man von der Impulserhaltungsgleichung 6.2 Gebrauch, in der die örtlichen Ableitungen verschwinden, dann ergibt sich die einfache Beziehung

Dieses Kräftegleichgewicht muß für jede beliebige Feldstärke erfüllt sein. Man kann also im homogenen Fall über die mittlere Impulsverlustrate auf das äußere Feld zurückschließen, das auf die Ladungsträger einwirkt.



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