DoITPoMS
amikor elektromos mezőt alkalmaznak egy fémre, a negatív töltésű elektronok felgyorsulnak és hordozzák a keletkező áramot. A félvezetőben a töltést nem kizárólag elektronok hordozzák. A pozitív töltésű lyukak töltést is hordoznak. Ezeket vagy üres helyeknek tekinthetjük az egyébként kitöltött vegyértéksávban, vagy ekvivalensen pozitív töltésű részecskékként.
mivel a Fermi-Dirac Eloszlás abszolút nulla foknál lépéses függvény, a tiszta félvezetőknek a vegyértéksávok összes állapota elektronokkal lesz kitöltve, és abszolút nulla foknál szigetelők lesznek. Ezt az alábbi e-k diagram mutatja; az árnyékolt körök kitöltött momentumállapotokat, az üres körök pedig kitöltetlen momentumállapotokat képviselnek. Ebben a diagramban k, nem pedig k, arra használták, hogy a hullámvektor valójában vektor, azaz az első rangú tenzor, nem pedig skalár.
ha a sávrés kellően kicsi, és a hőmérsékletet az abszolút nullától növelik, néhány elektron termikusan gerjeszthető a vezetési sávba, ami elektron-lyuk párot hoz létre. Ez annak a következménye, hogy a Fermi-Dirac Eloszlás véges hőmérsékleten elkenődik. Egy elektron akkor is elmozdulhat a vezetősávba a vegyértéksávból, ha elnyel egy fotont, amely megfelel a kitöltött állapot és a kitöltetlen állapot közötti energiakülönbségnek. Minden ilyen fotonnak olyan energiával kell rendelkeznie, amely nagyobb vagy egyenlő a vegyértéksáv és a vezetősáv közötti sávréssel, mint az alábbi ábrán látható.
termikusan vagy fotonikusan indukált, az eredmény egy elektron a vezetési sávban és egy üres állapot a vegyérték sávban.
ha egy elektromos mező most alkalmazzák az anyag, az összes elektronok a szilárd érezni fogja az erő az elektromos mező. Mivel azonban két elektron nem lehet pontosan ugyanabban a kvantumállapotban, az elektron nem nyerhet lendületet az elektromos mezőből, hacsak nincs üres momentumállapot az elektron által elfoglalt állapot mellett. A fenti vázlatban a vezetősávban lévő elektron lendületet vehet az elektromos mezőből, csakúgy, mint a vegyértéksávban hátrahagyott üres állapot melletti elektron. Az alábbi ábrán mindkét elektron jobbra mozog.
ennek az az eredménye, hogy az elektronok némi nettó lendülettel rendelkeznek, így van egy teljes töltésmozgás. A pozitív és negatív lendület enyhe egyensúlyhiánya látható az alábbi ábrán, és elektromos áramot eredményez.
a balra elmozdult vegyértéksáv üres helyét olyan részecskének tekinthetjük, amely az elektrontöltéssel azonos nagyságú pozitív elektromos töltést hordoz. Ez tehát egy lyuk. Fel kell ismerni, hogy ezek a sémák nem ábrázolják az elektronok ugrálását egyik helyről a másikra a valós térben, mert az elektronok nem lokalizálódnak az űr meghatározott helyeire. Ezek a tervrajzok a momentum térben vannak. Mint ilyen, a lyukakat nem szabad úgy tekinteni, mint amelyek a félvezetőn keresztül mozognak, mint a diszlokációk, amikor a fémek plasztikusan deformálódnak – elegendő egyszerűen pozitív töltést hordozó részecskéknek tekinteni őket.
az elektron-lyuk pár létrehozásával ellentétes folyamatot rekombinációnak nevezzük. Ez akkor fordul elő, amikor egy elektron energiája csökken a vezetési sávból a vegyértéksávba. Csakúgy, mint egy elektron-lyuk pár létrehozását egy foton indukálhatja, a rekombináció fotont hozhat létre. Ez az elv a félvezető optikai eszközök, például a fénykibocsátó diódák (LED-ek) mögött, amelyekben a fotonok látható hullámhosszú fényűek.
előző / következő
