DoITPoMS

når et elektrisk felt påføres et metall, akselereres negativt ladede elektroner og bærer den resulterende strømmen. I en halvleder bæres ladningen ikke utelukkende av elektroner. Positivt ladede hull bærer også ladning. Disse kan ses enten som ledige stillinger i det ellers fylte valensbåndet, eller tilsvarende som positivt ladede partikler.

siden Fermi-Dirac-fordelingen er en trinnfunksjon ved absolutt null, vil rene halvledere ha alle tilstandene i valensbåndene fylt med elektroner og vil være isolatorer ved absolutt null. Dette er avbildet i E-k-diagrammet nedenfor; skyggelagte sirkler representerer fylte momentumtilstander og tomme sirkler ufylte momentumtilstander. I dette diagrammet har k, i stedet for k, blitt brukt til å betegne at bølgevektoren faktisk er en vektor, det vil si en tensor av første rang, snarere enn en skalar.

hvis båndgapet er tilstrekkelig lite og temperaturen økes fra absolutt null, kan noen elektroner være termisk opphisset inn i ledningsbåndet, noe som skaper et elektronhullspar. Dette er som et resultat av smøring ut Av Fermi-Dirac-fordelingen ved endelig temperatur. Et elektron kan også bevege seg inn i ledningsbåndet fra valensbåndet hvis det absorberer en foton som tilsvarer energiforskjellen mellom en fylt tilstand og en ufylt tilstand. Enhver slik foton må ha en energi som er større enn eller lik båndgapet mellom valensbåndet og ledningsbåndet, som i diagrammet nedenfor.

enten termisk eller fotonisk indusert, er resultatet et elektron i ledningsbåndet og en ledig tilstand i valensbåndet.

hvis et elektrisk felt nå påføres materialet, vil alle elektronene i det faste stoffet føle en kraft fra det elektriske feltet. Men fordi ingen to elektroner kan være i nøyaktig samme kvantetilstand, kan et elektron ikke få noe momentum fra det elektriske feltet med mindre det er en ledig momentumtilstand ved siden av staten som blir okkupert av elektronen. I det ovennevnte skjematiske kan elektronen i ledningsbåndet få fart fra det elektriske feltet, som kan en elektron ved siden av den ledige tilstanden som er igjen i valensbåndet. I diagrammet nedenfor vises begge disse elektronene til høyre.

resultatet av dette er at elektronene har noe netto momentum, og så er det en samlet bevegelse av ladning. Denne lille ubalansen av positiv og negativ momentum kan ses i diagrammet nedenfor, og det gir opphav til en elektrisk strøm.

det ledige stedet i valensbåndet som har flyttet til venstre, kan ses som en partikkel som bærer positiv elektrisk ladning av samme størrelse som elektronladningen. Dette er derfor et hull. Det bør forstås at disse skjemaene ikke representerer elektroner som hopper fra sted til sted i ekte rom, fordi elektronene ikke er lokalisert til bestemte steder i rommet. Disse skjemaene er i momentum plass. Som sådan bør hull ikke betraktes som å bevege seg gjennom halvlederen som dislokasjoner når metaller er plastisk deformert – det er nok å se dem bare som partikler som bærer positiv ladning.

den motsatte prosessen til opprettelsen av et elektronhullspar kalles rekombinasjon. Dette skjer når et elektron faller ned i energi fra ledningsbåndet til valensbåndet. Akkurat som etableringen av et elektronhullspar kan induseres av en foton, kan rekombinasjon produsere en foton. Dette er prinsippet bak halvlederoptiske enheter som lysdioder (Lysdioder), hvor fotonene er lys av synlig bølgelengde.

forrige / neste