Doitpoms

When an electric field is applied to a metal, negatiivisesti varautuneet elektronit kiihtyvät ja kuljettavat syntyvän virran. Puolijohteessa varaus ei kulje yksinomaan elektroneilla. Positiivisesti varautuneet reiät kantavat myös latausta. Näitä voidaan pitää joko tyhjinä muutoin täytetyn valenssialueen sisällä tai vastaavasti positiivisesti varautuneina hiukkasina.

koska Fermi-Diracin jakauma on askelfunktio absoluuttisella nollapisteellä, puhtailla puolijohteilla on kaikki valenssikaistojen tilat täynnä elektroneja ja ne ovat eristeitä absoluuttisella nollapisteellä. Tämä on kuvattu alla olevassa E-k-kaaviossa; varjostetut ympyrät edustavat täytettyjä liikemäärän tiloja ja tyhjät ympyrät täyttämättömiä liikemäärän tiloja. Tässä kaaviossa K: n sijasta on käytetty ilmaisemaan, että aaltovektori on itse asiassa vektori eli ensimmäisen asteen tensori eikä skalaari.

jos kaistan aukko on riittävän pieni ja lämpötila nousee absoluuttisesta nollasta, osa elektroneista voi termisesti innostua johtuvuuskaistalle, jolloin syntyy elektroni-reikäpari. Tämä johtuu siitä, että Fermi-Diracin jakauma on smearingissa äärellisessä lämpötilassa. Elektroni voi myös siirtyä johtuvuuskaistalle valenssikaistalta, jos se absorboi fotonin, joka vastaa täytetyn tilan ja täyttämättömän tilan energiaeroa. Tällaisen fotonin energian on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin valenssikaistan ja johtuvuuskaistan välinen kuilu, kuten alla olevassa kaaviossa.

riippumatta siitä, indusoituiko se termisesti vai fotonisesti, tuloksena on elektroni johtuvuuskaistalla ja tyhjä tila valenssikaistalla.

jos aineeseen kohdistuu nyt sähkökenttä, kaikki kiinteän aineen elektronit tuntevat Sähkökentän voiman. Koska kaksi elektronia ei kuitenkaan voi olla täsmälleen samassa kvanttitilassa, elektroni ei voi saada liikemäärää sähkökentästä, ellei elektronin miehittämän tilan vieressä ole vapaata liikemäärätilaa. Yllä olevassa kaaviossa johtuvuuskaistan elektroni voi saada liikevoimaa sähkökentästä, samoin valenssikaistalle jääneen tyhjän tilan vieressä oleva elektroni. Alla olevassa kaaviossa molemmat elektronit liikkuvat oikealle.

tästä seuraa, että elektroneilla on jonkin verran nettoliikettä, joten on olemassa kokonaisvarausliike. Tämä pieni epätasapaino positiivinen ja negatiivinen liikemäärä voidaan nähdä alla olevassa kaaviossa, ja se aiheuttaa sähkövirran.

vasemmalle siirtyneen valenssikaistan tyhjää kohtaa voidaan pitää hiukkasena, jolla on positiivinen sähkövaraus, joka on yhtä suuri kuin elektronin varaus. Tämä on siis reikä. On huomattava, että nämä kaaviot eivät esitä elektronien “hyppimistä” paikasta toiseen reaaliavaruudessa, koska elektronit eivät ole lokalisoituneet tiettyihin paikkoihin avaruudessa. Nämä kaaviot ovat momentum-avaruudessa. Näin ollen reikien ei pitäisi ajatella liikkuvan puolijohteessa kuin sijoiltaan, kun metallit ovat plastisesti epämuodostuneita – riittää nähdä ne vain hiukkasina, joilla on positiivinen varaus.

vastakkaista prosessia elektroni-reikäparin synnylle kutsutaan rekombinaatioksi. Tämä tapahtuu, kun elektroni putoaa energiaa johtuvuuskaistalta valenssikaistalle. Aivan kuten fotoni voi indusoida elektroni-reikäparin, rekombinaatio voi tuottaa fotonin. Tämä on periaate puolijohdeoptisissa laitteissa, kuten valodiodeissa (LED), joissa fotonit ovat näkyvän aallonpituuden valoa.

Edellinen / Seuraava