Raumladung

Abb. 1: Blitze sind Entladungen von Raumladungen, die sich in den Wolken aufgebaut haben

Als Raumladung bezeichnet man eine räumlich begrenzte elektrische Ladungsverteilung. Sie wird durch einen Überschuss negativer oder positiver Ladungsträger verursacht.

Raumladungseffekte treten in vielen elektronischen Bauelementen auf (z. B. Elektronenröhren, Halbleiterdioden, Transistoren), in denen sie entscheidenden Einfluss auf die elektronische Eigenschaften haben.

Auch in Elektronen- und Ionenquellen spielen Raumladungseffekte eine wichtige Rolle. Hier sind die mit den Raumladungen verbundenen elektrischen Felder jedoch häufig unerwünscht, da sie die erreichbare Qualität wichtiger Strahleigenschaften, wie der erreichbaren Intensität oder der Energieauflösung, begrenzen.

Weiterhin müssen Raumladungen beim Design von Gas- und Glimmentladungsröhren berücksichtigt werden.

In der Natur können durch die Bewegung von Wassertropfen und Eiskristallen in Gewitterwolken Raumladungen entstehen, die sich in Form von Blitzen entladen.

Raumladungen in Elektronenröhren

Abb. 2: Vakuumdiode mit Elektronenwolke
Abb. 3: Strom-Spannungskennlinie der Vakuumdiode. Gestrichelt: Sättigungsströme für 3 verschiedene Kathoden-Temperaturen

In Elektronenröhren werden Raumladungen durch Glühkathoden erzeugt (Edison-Richardson-Effekt). Zur Vermeidung von unerwünschten Wechselwirkungen der erzeugten Elektronen mit Gas und zur Schonung der Glühkathode werden die Röhren im Vakuum betrieben.

Die in einer Röhre auftretenden Raumladungseffekte sind in Abb. 2 am Beispiel einer einfachen Röhrendiode dargestellt. Die von der Glühkathode der Röhre emittierten Elektronen werden zur Anode abgezogen. Dabei erzeugen die Elektronen selbst elektrische Felder und verzerren dadurch die durch die Anodenspannung verursachte Feldverteilung erheblich. Dies kann soweit gehen, dass am Entstehungsort der Elektronen (der Glühkathode) kein Feld mehr ankommt, da es bereits vorher durch die Raumladungen abgefangen wird. In diesem Fall ist der Anodenstrom nicht mehr abhängig von der Anzahl der von der Kathode emittierten Elektronen, sondern nur noch von der Anodenspannung. Diesen Bereich der Strom-Spannungs-Kennlinie bezeichnet man als raumladungsbegrenzten Strom (s. Abb. 3).

Zwischen Kathode und Anode ergibt sich eine positionsabhängige Dichteverteilung, die sich selbstständig so einregelt, dass die Stromdichte überall gleich ist. So führt z. B. ein Absinken der Stromdichte in einem bestimmten Bereich sofort dazu, dass sich hier zusätzlich Raumladung ansammelt, welche den Durchgriff der Anodenspannung auf die davorliegende Ladung abschirmt, sodass die Stromdichte auch dort soweit absinkt, bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat.

Der Anodenstrom $ I_a = j S $ bzw. die Stromdichte $ j $ lassen sich durch das Langmuir'sche bzw. Langmuir-Child'sche Raumladungsgesetz berechnen:

$ I_a = jS = \frac{4}{9}\varepsilon_0 \sqrt{\frac{2 e}{m_e}}\frac{S{U_a}^{3/2}}{d^2} $.

mit der Anodenspannung $ U_a $, der Vakuum-Dielektrizitätskonstante $ \varepsilon_0 $, der Elementarladung $ e $, der Elektronenmasse $ m_e $, der bestrahlten Anodenfläche $ S $ und dem Kathoden-Anoden-Abstand $ d $.

Die Gleichung gilt unter folgenden (nur näherungsweise gültigen) Annahmen:

  1. Das Feld ist homogen, d.h. die Elektroden sind planare, parallele Äquipotenzialflächen mit unendlicher Ausdehnung
  2. Die Elektronen haben beim Austritt aus der Kathode die Geschwindigkeit Null
  3. Zwischen den Elektroden befinden sich nur Elektronen
  4. Der Strom ist raumladungsbegrenzt
  5. Es herrscht ein eingeschwungener Zustand; insbesondere hat sich die Anodenspannung innerhalb der Einschwingzeit nicht geändert.

Bei großen Anodenspannungen lässt sich durch Erhöhung der Anodenspannung kein zusätzlicher Anodenstrom abziehen. Dieser so genannte Sättigungsstrom wird dann erreicht, wenn die Anodenspannung so groß ist, dass sie nicht durch die Raumladung kompensiert werden kann. In diesem Fall werden alle Elektronen, die die Kathode erzeugt, abgesaugt. Der Sättigungsstrom ist daher umso größer, je mehr Elektronen die Kathode emittiert (in Abb. 3 schematisch dargestellt durch drei gestrichelte Sättigungskennlinien für jeweils verschiedene Kathodentemperaturen).

Raumladungen in Halbleiterbauelementen

  • Die Entstehungsmechanismen und Auswirkungen von Raumladungszonen in Halbleiterbauelementen (Diode, Transistor) sind im Hauptartikel p-n-Übergang beschrieben.
  • Ähnliche Effekte treten auch in Halbleiter-Metallübergängen auf (Schottky-Diode).

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

22.01.2021
Festkörperphysik - Quantenoptik - Thermodynamik
Physiker filmen Phasenübergang mit extrem hoher Auflösung
Laserstrahlen können genutzt werden, um die Eigenschaften von Materialien gezielt zu verändern.
21.01.2021
Sonnensysteme - Planeten
Die Entstehung des Sonnensystems in zwei Schritten
W
21.01.2021
Exoplaneten
Die Entstehung erdähnlicher Planeten unter der Lupe
Innerhalb einer internationalen Zusammenarbeit haben Wissenschaftler ein neues Instrument namens MATISSE eingesetzt, das nun Hinweise auf einen Wirbel am inneren Rand einer planetenbildenden Scheibe um einen jungen Stern entdeckt hat.
20.01.2021
Kometen_und_Asteroiden
Älteste Karbonate im Sonnensystem
Die Altersdatierung des Flensburg-Meteoriten erfolgte mithilfe der Heidelberger Ionensonde.
20.01.2021
Quantenphysik - Teilchenphysik
Einzelnes Ion durch ein Bose-Einstein-Kondensat gelotst.
Transportprozesse in Materie geben immer noch viele Rätsel auf.
20.01.2021
Sterne - Astrophysik - Klassische Mechanik
Der Tanz massereicher Sternenpaare
Die meisten massereichen Sterne treten in engen Paaren auf, in denen beide Sterne das gemeinsame Massenzentrum umkreisen.
19.01.2021
Sonnensysteme - Sterne - Biophysik
Sonnenaktivität über ein Jahrtausend rekonstruiert
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der ETH Zürich hat aus Messungen von radioaktivem Kohlenstoff in Baumringen die Sonnenaktivität bis ins Jahr 969 rekonstruiert.
19.01.2021
Quantenoptik - Teilchenphysik
Forschungsteam stoppt zeitlichen Abstand von Elektronen innerhalb eines Atoms
Seit mehr als einem Jahrzehnt liefern Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFELs) schon intensive, ultrakurze Lichtpulse im harten Röntgenbereich.
15.01.2021
Sterne - Strömungsmechanik
Welche Rolle Turbulenzen bei der Geburt von Sternen spielen
A
14.01.2021
Thermodynamik
Wie Aerosole entstehen
Forschende der ETH Zürich haben mit einem Experiment untersucht, wie die ersten Schritte bei der Bildung von Aerosolen ablaufen.