Войти
Когда электрон покидает атом гелия, он оставляет на своем месте электронно-дырочку. Это приводит к тому, что атом гелия становится положительно заряженным. В физике, химии и электронной технике электронная дырка ( часто называют просто дыркой ) - это отсутствие электрона в позиции, где он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Дырки на самом деле не частицы, а скорее квазичастицы ; они отличаются от позитрона, который является античастицей электрона. (См. Также море Дирака.) Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дыры.
Дырки в металлической или полупроводниковой кристаллической решетке могут перемещаться через решетку, как могут электроны, и действовать аналогично положительно заряженным частицам. Они играют важную роль в работе полупроводниковых устройств, таких как транзисторы, диоды и интегральные схемы. Если электрон переходит в более высокое состояние, он оставляет дыру в своем старом состоянии. Это значение используется в электронной оже-спектроскопии (и других рентгеновских методах), в вычислительной химии и для объяснения низкой скорости электрон-электронного рассеяния. в кристаллах (металлы, полупроводники).
В кристаллах расчеты электронной зонной структуры приводят к эффективной массе для электронов, которая обычно отрицательна в верхней части зоны.. отрицательная масса - это неинтуитивное понятие, и в этих ситуациях более знакомая картина обнаруживается при рассмотрении положительного заряда с положительной массой.
В физике твердого тела, электронная дырка (обычно обозначаемый просто как дырка ) - это отсутствие электрона в полной валентной зоне. Дырка - это, по сути, способ концептуализировать взаимодействия электронов в пределах почти полной валентной зоны кристаллической решетки, в которой отсутствует небольшая часть своих электронов. В некотором смысле поведение отверстия в кристаллической решетке полупроводника сравнимо с поведением пузыря в полной бутылке с водой.
Детская головоломка, иллюстрирующая подвижность дырок в атомной решетке. Плитки аналогичны электронам, а отсутствующая плитка (нижний правый угол) аналогична дыре. Точно так же, как положение отсутствующей плитки можно перемещать в разные места, перемещая плитки, дыра в кристаллической решетке может перемещаться в разные позиции в решетке за счет движения окружающих электронов. Дырочная проводимость в валентную зону можно пояснить по следующей аналогии. Представьте себе ряд людей, сидящих в зале, где нет запасных стульев. Кто-то в середине ряда хочет выйти, поэтому он перепрыгивает через спинку сиденья в другой ряд и выходит. Пустой ряд аналогичен зоне проводимости, а выходящий человек аналогичен электрону проводимости.
А теперь представьте, что кто-то другой подходит и хочет сесть. Пустой ряд плохо просматривается; поэтому он не хочет там сидеть. Вместо этого человек из переполненного ряда перемещается на свободное место первым, оставшимся позади. Пустое место сдвигается на одно место ближе к краю и к человеку, ожидающему сесть. Следующий человек следует за ним, следующий и так далее. Можно сказать, что свободное место сдвигается к краю ряда. Когда свободное место достигает края, новый человек может сесть.
В процессе все в ряду двинулись дальше. Если бы эти люди были заряжены отрицательно (например, электроны), это движение было бы проводимостью. Если бы сами места были заряжены положительно, то положительным было бы только свободное место. Это очень простая модель того, как работает дырочная проводимость.
Вместо анализа движения пустого состояния в валентной зоне как движения множества отдельных электронов рассматривается одна эквивалентная мнимая частица, называемая «дырой». В приложенном электрическом поле электроны движутся в одном направлении, что соответствует движению дырки в другом. Если дырка ассоциируется с нейтральным атомом, этот атом теряет электрон и становится положительным. Следовательно, дырка считается имеющей положительный заряд + e, в точности противоположный заряду электрона.
В действительности, из-за принципа неопределенности из квантовой механики в сочетании с уровнями энергии, доступными в кристалле, отверстие не является локализуемый в одну позицию, как описано в предыдущем примере. Скорее, положительный заряд, который представляет отверстие, охватывает область в кристаллической решетке, покрывающую многие сотни элементарных ячеек. Это эквивалентно невозможности сказать, какая разорванная связь соответствует «отсутствующему» электрону. Аналогичным образом делокализованы электроны зоны проводимости.
Полупроводниковая электронная зонная структура (справа) включает в себя дисперсионное соотношение каждой зоны, то есть энергию электрон E как функция от волнового вектора электрона k. «Незаполненная зона» - это зона проводимости полупроводника; он изгибается вверх, указывая на положительную эффективную массу. «Заполненная зона» - это валентная зона полупроводника ; он изгибается вниз, указывая на отрицательную эффективную массу. Приведенная выше аналогия весьма упрощена и не может объяснить, почему дырки создают эффект, противоположный электронам, в эффекте Холла и эффекте Зеебека. Далее следует более точное и подробное объяснение.
Дисперсионное соотношение - это соотношение между волновым вектором (k-вектор) и энергия в полосе, часть электронной зонной структуры. В квантовой механике электроны - это волны, а энергия - это частота волны. Локализованный электрон - это волновой пакет, а движение электрона задается формулой для групповой скорости волны. Электрическое поле воздействует на электрон, постепенно сдвигая все волновые векторы в волновом пакете, и электрон ускоряется, когда его групповая скорость волны изменяется. Следовательно, опять же, то, как электрон реагирует на силы, полностью определяется его дисперсионным соотношением. Электрон, плавающий в пространстве, имеет дисперсионное соотношение E = ℏk / (2m), где m - (действительное) масса электрона, а ℏ - приведенная постоянная Планка. В нижней части зона проводимости полупроводника, вместо этого дисперсионное соотношение E = ℏk / (2m) (m - эффективная масса ), поэтому электрон зоны проводимости реагирует на силы, как если бы он масса m.
Дисперсионное соотношение около вершины валентной зоны E = ℏk / (2m) с отрицательным эффективная масса. Таким образом, электроны в верхней части валентной зоны ведут себя так, как будто имеют отрицательную массу. Когда сила тянет электроны вправо, эти электроны фактически перемещаются влево. Это происходит исключительно из-за формы валентной зоны и не зависит от того, полна она или пуста. Если бы вы могли каким-то образом очистить валентную зону и просто поместить один электрон около максимума валентной зоны (нестабильная ситуация), этот электрон двинулся бы «не в ту сторону» в ответ на силы.
Идеально полная полоса всегда имеет нулевой ток. Один из способов подумать об этом факте состоит в том, что электронные состояния около вершины зоны имеют отрицательную эффективную массу, а состояния около нижней части зоны - положительную эффективную массу, поэтому чистое движение равно нулю. Если в почти полной валентной зоне есть состояние без электрона, мы говорим, что это состояние занято дыркой. Существует математический ярлык для вычисления тока каждого электрона во всей валентной зоне: начните с нулевого тока (общего, если полоса была заполнена), и вычтите ток из-за электронов, которые были бы в каждом состоянии дырки, если бы он не было дырой. Поскольку вычитание тока, вызванного движущимся отрицательным зарядом, аналогично добавлению тока, вызванного положительным зарядом, движущимся по тому же пути, математическое сокращение состоит в том, чтобы притвориться, что каждое состояние дырки несет положительный заряд, игнорируя при этом все остальные электроны. состояние в валентной зоне.
Этот факт следует из обсуждения и определения выше. Это пример, когда приведенная выше аналогия с аудиторией вводит в заблуждение. Когда человек движется влево в полном зале, пустое место перемещается вправо. Но в этом разделе мы представляем себе, как электроны движутся через k-пространство, а не реальное пространство, и эффект силы заключается в перемещении всех электронов через k-пространство в одно и то же время в одном направлении. В этом контексте лучшая аналогия - пузырь под водой в реке: пузырь движется в том же направлении, что и вода, а не в противоположном.
Поскольку сила = масса × ускорение, электрон с отрицательной эффективной массой около верха валентной зоны будет двигаться в противоположном направлении, как электрон с положительной эффективной массой около низа зоны проводимости, в ответ к заданной электрической или магнитной силе. Следовательно, дыра также перемещается в эту сторону.
Из вышесказанного следует, что дыра (1) несет положительный заряд, а (2) реагирует на электрические и магнитные поля, как если бы она имела положительный заряд и положительная масса. (Последнее связано с тем, что частица с положительным зарядом и положительной массой реагирует на электрические и магнитные поля так же, как частица с отрицательным зарядом и отрицательной массой.) Это объясняет, почему дырки можно рассматривать во всех ситуациях как обычные положительно заряженные квазичастицы.
В некоторых полупроводниках, таких как кремний, эффективная масса дырки зависит от направления (анизотропный ), однако значение усреднено по всем направлениям можно использовать для некоторых макроскопических расчетов.
В большинстве полупроводников эффективная масса дырки намного больше, чем у электрона. Это приводит к более низкой подвижности дырок под действием электрического поля, и это может замедлить скорость электронного устройства, сделанного из этого полупроводника. Это одна из основных причин использования электронов в качестве первичных носителей заряда, когда это возможно в полупроводниковых устройствах, а не дырок. Кроме того, почему логика NMOS быстрее, чем логика PMOS.
Однако во многих полупроводниковых устройствах существенную роль играют и электроны, и дырки. Примеры включают p – n-диоды, биполярные транзисторы и логику КМОП.
Альтернативное значение термина электронная дырка используется в вычислительной химии. В методах связанных кластеров основное (или с наименьшей энергией) состояние молекулы интерпретируется как «вакуумное состояние» - концептуально в этом состоянии электронов нет. В этой схеме отсутствие электрона в нормально заполненном состоянии называется «дыркой» и рассматривается как частица, а присутствие электрона в нормально заполненном состоянии просто называется «электроном». Эта терминология почти идентична той, что используется в физике твердого тела.
