DoITPoMS

gdy pole elektryczne jest przyłożone do metalu, ujemnie naładowane elektrony są przyspieszane i przenoszą powstały prąd. W półprzewodniku ładunek nie jest przenoszony wyłącznie przez elektrony. Dodatnio naładowane otwory również przenoszą ładunek. Mogą one być postrzegane jako wolne miejsca w innym wypełnionym paśmie walencyjnym lub równoważnie jako dodatnio naładowane cząstki.

ponieważ rozkład Fermiego-Diraca jest funkcją krokową przy zerowym absolutnym, czyste Półprzewodniki będą miały wszystkie stany w pasmach walencyjnych wypełnionych elektronami i będą izolatorami przy zerowym. Jest to przedstawione na poniższym diagramie E-k; cieniowane okręgi reprezentują wypełnione Stany pędu i puste okręgi niewypełnione Stany pędu. Na tym diagramie K, zamiast k, zostało użyte do oznaczenia, że wektor falowy jest w rzeczywistości wektorem, tzn. tensorem pierwszego rzędu, a nie skalarem.

jeśli szczelina pasma jest wystarczająco mała, a temperatura wzrasta od zera absolutnego, niektóre elektrony mogą być termicznie wzbudzone do pasma przewodnictwa, tworząc parę elektron-dziura. Jest to wynikiem rozmazania rozkładu Fermiego-Diraca w skończonej temperaturze. Elektron może również przenieść się do pasma przewodnictwa z pasma walencyjnego, jeśli pochłania Foton, który odpowiada różnicy energii między wypełnionego stanu i stanu niewypełnionego. Każdy taki Foton musi mieć energię większą lub równą odstępowi między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa, jak na poniższym schemacie.

niezależnie od tego, czy indukowane termicznie, czy fotonicznie, rezultatem jest elektron w paśmie przewodnictwa i stan wolny w paśmie walencyjnym.

jeśli pole elektryczne zostanie teraz przyłożone do materiału, wszystkie elektrony w ciele stałym odczują siłę z pola elektrycznego. Ponieważ jednak żadne dwa elektrony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym, elektron nie może uzyskać pędu z pola elektrycznego, chyba że istnieje wolny stan pędu sąsiadujący ze stanem zajmowanym przez elektron. Na powyższym schemacie elektron w paśmie przewodnictwa może uzyskać pęd od pola elektrycznego, podobnie jak elektron sąsiadujący z pustym stanem pozostawionym w paśmie walencyjnym. Na poniższym diagramie oba te elektrony są pokazane w ruchu w prawo.

rezultatem tego jest to, że elektrony mają pewien pęd netto, a więc istnieje ogólny ruch ładunku. Ten niewielki brak równowagi dodatniego i ujemnego pędu można zobaczyć na poniższym diagramie i powoduje powstanie prądu elektrycznego.

wolne miejsce w paśmie walencyjnym, które przesunęło się w lewo, może być postrzegane jako cząstka, która przenosi dodatni ładunek elektryczny o wielkości równej ładunkowi elektronu. Jest to zatem dziura. Należy zauważyć, że schematy te nie przedstawiają elektronów “skaczących” z miejsca na miejsce w rzeczywistej przestrzeni, ponieważ elektrony nie są zlokalizowane w określonych miejscach w przestrzeni. Te schematy są w przestrzeni pędu. Jako takie, otwory nie powinny być uważane za poruszające się przez półprzewodnik, jak dyslokacje, gdy metale są plastycznie zdeformowane-wystarczy spojrzeć na nie po prostu jako na cząstki, które niosą ładunek dodatni.

proces odwrotny do tworzenia pary elektron-dziura nazywa się rekombinacją. Dzieje się tak, gdy elektron spada w energii z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego. Podobnie jak tworzenie pary elektron-dziura może być indukowane przez Foton, rekombinacja może wytworzyć Foton. Jest to zasada stojąca za półprzewodnikowymi urządzeniami optycznymi, takimi jak diody elektroluminescencyjne (LED), w których fotony są światłem o widzialnej długości fali.

poprzedni / następny