Zustandsdichte

Die Zustandsdichte ${\displaystyle D(E)}$ bzw. ${\displaystyle D(\omega )}$ (engl. density of states, abgekürzt DOS) ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viele Zustände pro Energieintervall ${\displaystyle \mathrm {d} E}$ bzw. pro Frequenzintervall ${\displaystyle \mathrm {d} \omega }$ in einem physikalischen System existieren.

Im Allgemeinen wird die Zustandsdichte für Vielteilchensysteme im Rahmen eines Modells unabhängiger Teilchen betrachtet. Dann beziehen sich die Variablen ${\displaystyle \omega }$ bzw. ${\displaystyle E=\hbar \omega }$ auf die Energie der 1-Teilchenzustände. Häufig wird die Zustandsdichte dann auch in Abhängigkeit vom Impuls ${\displaystyle {\vec {p}}=\hbar {\vec {k}}}$ bzw. Wellenvektor ${\displaystyle {\vec {k}}}$ der 1-Teilchenzustände betrachtet und gibt deren Anzahl pro Volumenintervall des Impulsraums (${\displaystyle \mathrm {d} ^{3}{\vec {p}}}$) bzw. des reziproken Raums (${\displaystyle \mathrm {d} ^{3}{\vec {k}}}$) an. Die Zustandsdichte kann sich auf verschiedene Teilchensorten beziehen, z. B. auf Photonen, Phononen, Elektronen, Magnonen, Quasiteilchen, und wird pro Einheit des räumlichen Volumens angegeben. Für freie Teilchen ohne Spin lässt sich die Zustandsdichte daraus berechnen, dass im Phasenraum jeder quantenmechanische Zustand das Volumen ${\displaystyle (2\pi \hbar )^{3}}$ einnimmt. Die Zustandsdichte (pro Volumen) ${\displaystyle D({\vec {k}})}$ ist dann konstant

${\displaystyle D({\vec {k}})={\frac {1}{(2\pi )^{3}}}\ .}$

Im Falle v​on Wechselwirkungen d​er Teilchen, s​ei es untereinander o​der mit vorgegebenen Potentialen, k​ann die Zustandsdichte s​tark davon abweichen (siehe z. B. Bändermodell).

Definition

Allgemein ist die – auf das Volumen ${\displaystyle V}$ bezogene – Zustandsdichte für eine abzählbare Anzahl ${\displaystyle N}$ an Energieniveaus definiert durch:

${\displaystyle D(E)={\frac {1}{V}}\cdot \sum _{i=1}^{N}\delta (E-E({\vec {k}}_{i}))}$

mit der Delta-Distribution ${\displaystyle \delta }$.

Daraus erhält man durch Erweitern mit ${\displaystyle (\Delta k)^{d}=\left({\frac {2\pi }{L}}\right)^{d}}$ (der kleinsten erlaubten Änderung von ${\displaystyle k}$ für ein Teilchen in einem Kasten der Dimension ${\displaystyle d}$ und Länge ${\displaystyle L}$) und Übergang zu einem Riemann-Integral (Limes ${\displaystyle L\to \infty }$) die auf das Volumen bezogene Zustandsdichte für kontinuierliche Energieniveaus:

${\displaystyle D(E):=\int _{\mathbb {R} ^{d}}{\frac {\mathrm {d} ^{d}k}{(2\pi )^{d}}}\cdot \delta (E-E({\vec {k}}))\qquad (*)}$

mit

• ${\displaystyle d}$ der räumlichen Dimension des betrachteten Systems
• dem Betrag ${\displaystyle k}$ des Wellenvektors.

Äquivalent kann die Zustandsdichte auch als Ableitung der mikrokanonischen Zustandssumme ${\displaystyle Z_{m}(E)=N(E)}$ nach der Energie aufgefasst werden:

${\displaystyle D(E)={\frac {1}{V}}\cdot {\frac {\mathrm {d} N(E)}{\mathrm {d} E}}}$

Die Zahl der Zustände mit Energie ${\displaystyle E'}$ (Entartungsgrad) ist gegeben durch:

${\displaystyle g(E')=\lim _{\Delta E\to 0}\int _{E'}^{E'+\Delta E}D(E)\mathrm {d} E=\lim _{\Delta E\to 0}D(E')\Delta E}$, wobei das letzte Gleichheitszeichen nur dann gilt, wenn der Mittelwertsatz der Integralrechnung für das Integral anwendbar ist.

Anschauung

Anschaulich zählt man die Mikrozustände für eine vorgegebene Energie ${\displaystyle E}$: betrachtet man ein System mit ${\displaystyle N}$ Mikrozuständen ${\displaystyle i}$, so wird die Zustandsdichte beschrieben durch

${\displaystyle D(E)=\sum _{i=1}^{N}\delta (E-E_{i})}$

da das Integral über die Zustandsdichte gerade die Gesamtzahl ${\displaystyle N}$ der Mikrozustände liefert:

${\displaystyle \int _{\mathbb {R} }\sum _{i=1}^{N}\delta (E-E_{i})\cdot \mathrm {d} E=\sum _{i=1}^{N}=N}$

und außerdem liefert folgendes Integral die Zahl ${\displaystyle n(E)}$ der Mikrozustände bei Energie ${\displaystyle E}$:

${\displaystyle \lim _{\Delta E\to 0}\sum _{i=1}^{N}\int _{E_{i}-\Delta E}^{E_{i}+\Delta E}\delta (E-E_{i})\cdot \mathrm {d} E=n(E)}$

In obiger Formel ${\displaystyle (*)}$ ist zumindest für die Anschauung die Eigenschaft ${\displaystyle \delta (g(x))=\sum _{i=1}^{n}{\frac {\delta (x-x_{i})}{|g^{\prime }(x_{i})|}}}$ der Deltadistribution wichtig, die jedoch nur für endlich viele und einfache Nullstellen ${\displaystyle x_{i}}$ von ${\displaystyle g(x)}$ gilt.

n-dimensionales Elektronengas

Die folgenden Erläuterungen beziehen s​ich vorrangig a​uf Anwendungen i​n der Festkörperphysik.

Zustandsdichte über der Energie abhängig von der Dimension (3D = gepunktet, 2D = rot, 1D = grün, 0D = blau). Die Sprünge in den Zustandsdichten für die Dimensionen D=0 bis D=2 sind darin begründet, dass in diesen Fällen die Zustandsdichten um verschiedene Energiezustände gezeichnet sind. Um diese Energiezustände herum hat die Zustandsdichte dann die berechnete und in der Tabelle dargestellte Form.

In einem ${\displaystyle n}$-dimensionalen Elektronengas können sich Ladungsträger in den Dimensionen ${\displaystyle 1,\dotsc ,n}$ frei bewegen. Der entsprechende Anteil der Energie ist kontinuierlich und kann unter Nutzung der parabolischen Näherung angegeben werden:

${\displaystyle E={\frac {\hbar ^{2}k^{2}}{2m^{*}}}}$

Dabei ist

• ${\displaystyle m^{*}}$ die effektive Masse des Ladungsträgers im Festkörper, genauer ist ${\displaystyle m^{*}}$ die effektive Zustandsdichtemasse
• ${\displaystyle \hbar }$ das (durch ${\displaystyle 2\pi }$ geteilte) Plancksche Wirkungsquantum.

Im Gegensatz dazu ist die Energiekomponente der anderen Dimensionen diskretisiert in den Werten ${\displaystyle E_{l}}$. Die (auf das Volumen ${\displaystyle V}$ bezogene) Zustandsdichte kann allgemein beschrieben werden:

${\displaystyle D(E)=2\cdot {\frac {\mathrm {d} N(E)}{\mathrm {d} E}}{\frac {1}{V}}.}$

Darin entspricht

• der Vorfaktor 2 den zwei möglichen Spinzuständen (oft wird er aber in ${\displaystyle N(E)}$ berücksichtigt, hier wurde dies nicht so gemacht)
• ${\displaystyle V=L_{x}\cdot L_{y}\cdot L_{z}}$ dem Volumen des Festkörpers
• ${\displaystyle N(E)}$ der Anzahl aller Zustände mit Energie kleiner gleich ${\displaystyle E}$ (vgl.: Mikrokanonische Zustandssumme ${\displaystyle Z_{m}}$):

${\displaystyle N(E)={\begin{cases}{\frac {V_{k}}{\Omega _{k}}}&{\text{wenn}}\quad n=3\\\sum _{l}\Theta (E-E_{l}){\frac {V_{k}}{\Omega _{k}}}&{\text{wenn}}\quad n=1,2\\\sum _{l}\Theta (E-E_{l})&{\text{wenn}}\quad n=0\end{cases}}}$

• • ${\displaystyle V_{k}}$ beschreibt im ${\displaystyle n}$-dimensionalen ${\displaystyle k}$-Raum das Gesamtvolumen aller Zustände, die bei der verbleibenden Energie ${\displaystyle E-E_{l}}$ zugänglich sind
  • ${\displaystyle \Omega _{k}}$ ist das Volumen eines solchen Zustandes.
  • ${\displaystyle \Theta }$ ist die Heaviside-Funktion.

Werte für verschieden-dimensionale Elektronengase

	Gesamtvolumen aller Zustände ${\displaystyle V_{k}}$	Volumen eines Zustandes ${\displaystyle {\Omega _{k}}}$	(auf das Volumen bezogene) Zustandsdichte ${\displaystyle D(E)}$
	im k-Raum bei der verbleibenden Energie ${\displaystyle E-E_{l}}$
3D – Bulk	${\displaystyle {\frac {4}{3}}\pi k^{3}}$	${\displaystyle {\frac {(2\pi )^{3}}{L_{x}L_{y}L_{z}}}}$	${\displaystyle {\frac {(2m^{*})^{\frac {3}{2}}}{2\pi ^{2}\hbar ^{3}}}{\sqrt {E}}}$
2D – Quantentopf/Quantenfilm	${\displaystyle \pi k^{2}}$	${\displaystyle {\frac {(2\pi )^{2}}{L_{x}L_{y}}}}$	${\displaystyle {\frac {m^{*}}{\pi \hbar ^{2}L_{z}}}\sum _{l}\Theta (E-E_{l})}$
1D – Quantendraht	${\displaystyle 2k}$	${\displaystyle {\frac {2\pi }{L_{x}}}}$	${\displaystyle {\frac {\sqrt {2m^{*}}}{\pi \hbar L_{y}L_{z}}}\sum _{l}{\frac {1}{\sqrt {E-E_{l}}}}}$
0D – Quantenpunkt			${\displaystyle {\frac {2}{L_{x}L_{y}L_{z}}}\sum _{l}\delta (E-E_{l})}$

Im Halbleiter

Zustandsdichten (farbig) in einem undotierten Halbleiter mit direktem Bandübergang. Zusätzlich ist die Fermi-Verteilung bei Raumtemperatur nach links aufgetragen, als Energieniveaus das Fermi-Niveau E_F und die Leitungsbandenergie E_C.

In Halbleitermaterialien wird wegen der periodisch auftretenden Atomkerne ein ähnlicher Ansatz für das Leitungs- und Valenzband gemacht (siehe Bändermodell). Halbleiter zeichnet aus, dass ihre Dispersionkurven oder auch Bandstruktur ein Maximum (Valenzband) und Minimum (Leitungsband) besitzt, welche nicht überlappen, sondern durch die Bandlücke getrennt sind. Dabei wird bei einer Versetzung der Extrema im ${\displaystyle k}$-Raum (Impulsraum) von einem indirekten, bei gleichem Impulsunterschied von einem direkten Halbleiter gesprochen. Das funktionale Verhalten um solche Extremwerte lässt sich parabolisch (quadratisch) nähern. Die Krümmung dieser zur Näherung verwendeten Form muss allerdings nicht mit der Krümmung der Dispersionskurve der oben besprochenen freien Elektronen übereinstimmen. Stattdessen weist man den Ladungsträgern, also Elektronen und Löchern, in den beiden Bändern bei diesen Extrema effektive Massen ${\displaystyle m^{*}}$ zu so, dass nun die funktionale Beschreibung identisch zu der, der echten freien Elektronen, ist.

Zustandsdichten (farbig) in einem n-dotierten Halbleiter mit direktem Bandübergang. Energieniveau der Dotieratome E_D.

Die Energie der Leitungsband-Unterkante sei ${\displaystyle E_{\mathrm {C} }}$, die der Valenzband-Oberkante ${\displaystyle E_{\mathrm {V} }}$, die Differenz ist gleich der Bandlückenenergie ${\displaystyle E_{\mathrm {G} }=E_{\mathrm {C} }-E_{\mathrm {V} }}$. Die Zustandsdichte im Leitungsband ist (${\displaystyle m_{\mathrm {e,d} }^{*}}$ ist die Zustandsdichtemasse des Elektrons im Leitungsband, also seine gemittelte effektive Masse):

${\displaystyle D_{\mathrm {C} }(E)={\frac {(2m_{\mathrm {e,d} }^{*})^{\frac {3}{2}}}{2\pi ^{2}\hbar ^{3}}}{\sqrt {E-E_{\mathrm {C} }}}}$

Die Zustandsdichte im Valenzband ist (${\displaystyle m_{\mathrm {p,d} }^{*}}$ ist die Zustandsdichtemasse des Lochs im Valenzband):

${\displaystyle D_{\mathrm {V} }(E)={\frac {(2m_{\mathrm {p,d} }^{*})^{\frac {3}{2}}}{2\pi ^{2}\hbar ^{3}}}{\sqrt {E_{\mathrm {V} }-E}}}$

Bei dotierten Halbleitern treten zu diesen möglichen Zuständen noch Zustände in der Bandlücke auf. Diese sind bei ${\displaystyle n}$-Dotierung nahe am Leitungsband und bei ${\displaystyle p}$-Dotierung nahe am Valenzband. Durch Zuführen von Energie kann die Aktivierungsenergie überwunden werden und es bilden sich vermehrt besetzte Zustände in Leitungs- bzw. Valenzband. Darüber hinaus ändert sich durch Dotierung die Lage des Fermi-Niveaus: es wird bei ${\displaystyle n}$-Dotierung angehoben, bzw. senkt sich bei ${\displaystyle p}$-Dotierung zum Valenzband hin ab. Bei einer ${\displaystyle n}$-Dotierung sind damit bereits bei Raumtemperatur wegen der thermischen Energie weit mehr Zustände im Leitungsband besetzt als bei einem undotierten Material. Die zusätzlichen freien Ladungsträger können damit den Stromtransport erhöhen.

Die thermische Besetzung der Zustände wird durch die Fermi-Verteilung bestimmt. Die Wahrscheinlichkeitsdichte, dass ein Zustand mit der Energie ${\displaystyle [E,E+\mathrm {d} E]}$ besetzt ist, schreibt sich

${\displaystyle W_{\mathrm {e} }(E)={\frac {1}{\exp {\left({\frac {E-\mu }{k_{\mathrm {B} }T}}\right)}+1}}}$

Die Wahrscheinlichkeitsdichte, dass ein Zustand mit der Energie ${\displaystyle [E,E+\mathrm {d} E]}$ nicht besetzt oder äquivalent ausgedrückt mit einem Loch besetzt ist, schreibt sich

${\displaystyle W_{\mathrm {h} }(E)=1-W_{\mathrm {e} }(E)={\frac {1}{\exp {\left(-{\frac {E-\mu }{k_{\mathrm {B} }T}}\right)}+1}}}$

Damit lassen sich die Ladungsträgerdichten, also Elektronendichte im Leitungsband ${\displaystyle n}$ und Löcherdichte ${\displaystyle p}$ im Valenzband, angeben:

${\displaystyle n=\int _{E_{\mathrm {C} }}^{\infty }W_{\mathrm {e} }(E)\,D_{\mathrm {C} }(E)\,\mathrm {d} E}$

sowie

${\displaystyle p=\int _{-\infty }^{E_{\mathrm {V} }}W_{\mathrm {h} }(E)\,D_{\mathrm {V} }(E)\,\mathrm {d} E}$

Eigentlich sollten d​ie Integrationsgrenzen n​icht bis unendlich ausgedehnt sein, sondern n​ur bis z​um Ende d​es jeweiligen Bandes. Allerdings i​st dort d​ie Fermi-Verteilung s​chon näherungsweise Null – d​as chemische Potential l​iegt nämlich i​m Bereich d​er Bandlücke – sodass d​er Fehler vernachlässigbar ist. Zur Berechnung dieser Integrale siehe Fermi-Dirac-Integral.

Literatur

• Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik Bd. 3 – Atome, Moleküle und Festkörper. 3. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21473-9.

Weblinks

• Semiconductor Physics: Density of States. In: Britney Spears’ Guide to Semiconductor Physics. Carl Hepburn, abgerufen am 7. April 2009 (englisch).
• C.R.Wie: Carrier concentration in Si (or in any Semiconductor) versus the Fermi Energy Level and the Density of States. Abgerufen am 7. April 2009 (englisch, Java-Applet zu Zustandsdichte im Halbleiter).
• M. Alam: Online lecture:ECE 606 Lecture 8: Density of States (englisch).
• Zustandsdichte des freien Elektronengases – Kapitel 2.2.3. In: Einführung in die Materialwissenschaft II, Uni Kiel. Abgerufen am 12. August 2010 (Sehr ausführliches und recht verständliches Skript).
• Herleitung der Zustandsdichte freier Teilchen in 3D (Memento vom 19. Oktober 2013 im Internet Archive)