Stroomdichtheid in Metaal en Halfgeleider
Definitie van Stroomdichtheid
Stroomdichtheid wordt gedefinieerd als de elektrische stroom per eenheid van oppervlakte van de doorsnede van een geleider, aangeduid met J.
Formule voor Stroomdichtheid
De stroomdichtheid in een metaal wordt berekend met J = I/A, waarbij I de stroom is en A de doorsnede-oppervlakte.
Stroomverloop in Halfgeleiders
In halfgeleiders is de stroomdichtheid te wijten aan zowel elektronen als gaten, die zich in tegengestelde richtingen bewegen maar bijdragen aan dezelfde stroomrichting.
Stroomdichtheid in Metaal
Stel je voor dat er een geleider is met een doorsnede van 2,5 vierkante mm. Als een elektrisch potentiaal een stroom van 3 A veroorzaakt, is de stroomdichtheid 1,2 A/mm² (3/2,5). Dit gaat uit van een uniforme stroomverdeling. Dus stroomdichtheid wordt gedefinieerd als de elektrische stroom per eenheid doorsnede-oppervlakte van de geleider.
Stroomdichtheid, aangeduid met J, wordt gegeven door J = I/A, waarbij ‘I’ de stroom is en ‘A’ de doorsnede-oppervlakte. Als N elektronen in de tijd T door een doorsnede passeren, dan is de overgebrachte lading Ne, waarbij e de lading van een elektron in coulomb is.
Nu is het aantal lading dat per tijdseenheid de doorsnede passeert
Als N aantal elektronen in de lengte L van de geleider liggen, dan is de elektronconcentratie
Uit vergelijking (1) kunnen we schrijven,
Aangezien N aantal elektronen in de lengte L liggen en ze allemaal de doorsnede in de tijd T passeren, zal de driftsnelheid van de elektronen zijn,
Dus, vergelijking (2) kan ook herschreven worden als
Als er een elektrisch veld E op de geleider wordt toegepast, neemt de driftsnelheid van de elektronen evenredig toe,
Waarbij μ gedefinieerd wordt als de mobiliteit van elektronen
Stroomdichtheid in Halfgeleiders
De totale stroomdichtheid in een halfgeleider is de som van de stroomdichtheden veroorzaakt door elektronen en gaten, elk met verschillende mobiliteiten.
Relatie met Geleidbaarheid
Stroomdichtheid (J) staat in relatie tot geleidbaarheid (σ) via de formule J = σE, waarbij E de intensiteit van het elektrische veld is.
