DoITPoMS

wanneer een elektrisch veld wordt toegepast op een metaal, worden negatief geladen elektronen versneld en dragen de resulterende stroom. In een halfgeleider wordt de lading niet uitsluitend door elektronen gedragen. Positief geladen gaten dragen ook lading. Deze kunnen worden gezien als Vacatures in de anders gevulde valentieband, of gelijkwaardig als positief geladen deeltjes.

aangezien de Fermi-Dirac-verdeling een stapfunctie is bij het absolute nulpunt, zullen zuivere halfgeleiders alle toestanden in de valentiebanden gevuld hebben met elektronen en zullen zij isolatoren zijn bij het absolute nulpunt. Dit wordt afgebeeld in het E-k diagram hieronder; gearceerde Cirkels vertegenwoordigen gevulde momentumtoestanden en lege Cirkels ongevulde momentumtoestanden. In dit diagram is k, in plaats van k, gebruikt om aan te geven dat de golfvector eigenlijk een vector is, dat wil zeggen, een tensor van de eerste rang, in plaats van een scalar.

als de bandkloof voldoende klein is en de temperatuur wordt verhoogd vanaf het absolute nulpunt, kunnen sommige elektronen thermisch worden opgewekt in de geleidingsband, waardoor een elektrongatpaar ontstaat. Dit is het gevolg van het uitsmeren van de Fermi-Dirac verdeling bij eindige temperatuur. Een elektron kan ook in de geleidingsband van de valentieband bewegen als het een foton absorbeert dat overeenkomt met het energieverschil tussen een gevulde toestand en een ongevulde toestand. Een dergelijk foton moet een energie hebben die groter is dan of gelijk is aan de bandspleet tussen de valentieband en de geleidingsband, zoals in het onderstaande diagram.

het resultaat is een elektron in de geleidingsband en een vacante toestand in de valentieband.

als nu een elektrisch veld op het materiaal wordt toegepast, zullen alle elektronen in de vaste stof een kracht van het elektrische veld voelen. Echter, omdat geen twee elektronen in exact dezelfde kwantumtoestand kunnen zijn, kan een elektron geen momentum uit het elektrische veld krijgen tenzij er een vacante momentumtoestand grenst aan de toestand die door het elektron wordt bezet. In het bovenstaande schema kan het elektron in de geleidingsband momentum krijgen van het elektrische veld, net als een elektron dat grenst aan de lege toestand die achterblijft in de valentieband. In het onderstaande diagram worden beide elektronen naar rechts getoond.

het resultaat hiervan is dat de elektronen een netto momentum hebben, en dus is er een algemene ladingsbeweging. Deze lichte onbalans van positieve en negatieve momentum kan worden gezien in het onderstaande diagram, en het geeft aanleiding tot een elektrische stroom.

de lege plaats in de valentieband die naar links is verplaatst, kan worden beschouwd als een deeltje dat een positieve elektrische lading van gelijke grootte draagt als de elektronenlading. Dit is dus een gat. Het moet worden gewaardeerd dat deze schema ‘s geen elektronen voorstellen die van plaats naar plaats in de reële ruimte’ hoppen’, omdat de elektronen niet gelokaliseerd zijn op specifieke plaatsen in de ruimte. Deze schema ‘ s zijn in momentum ruimte. Als zodanig, gaten moeten niet worden beschouwd als bewegende door de halfgeleider als dislocaties wanneer metalen plastisch vervormd-het volstaat om ze gewoon te zien als deeltjes die positieve lading dragen.

het tegenovergestelde proces van het creëren van een elektronengatpaar wordt recombinatie genoemd. Dit komt voor wanneer een elektron in energie van de geleidingsband naar de valentieband daalt. Net zoals de creatie van een elektronengatpaar door een foton kan worden veroorzaakt, kan recombinatie een foton produceren. Dit is het principe achter halfgeleider optische apparaten zoals licht-emitterende diodes (LEDs), waarin de fotonen licht van zichtbare golflengte zijn.

vorige / volgende