Elektron teshik

Fizikada, kimyoda va elektron muhandislikda elektron tuynuk (ko'pincha oddiygina teshik deb ataladi) atom yoki atom panjarasida mavjud bo'lishi mumkin boʻlgan holatda elektronning etishmasligi.

Metall^[1] yoki yarimo'tkazgichli kristall panjaradagi teshiklar elektronlar kabi panjara bo'ylab harakatlanishi va musbat zaryadlangan zarrachalar kabi harakat qilishi mumkin. Ular tranzistorlar, diodlar va integral mikrosxemalar kabi yarimo'tkazgichli qurilmalarning ishlashida muhim rol o'ynaydi. Agar elektron yuqoriroq holatga qo'zg'atilgan bo'lsa, u eski holatda teshik qoldiradi. Bu ma'no Auger elektron spektroskopiyasida (va boshqa rentgen texnikasida), hisoblash kimyosida va kristallardagi (metallar, yarimo'tkazgichlar) past elektron-elektron tarqalish tezligini tushuntirish uchun ishlatiladi. Garchi ular elementar zarralar kabi harakat qilsalar ham, teshiklar aslida zarrachalar emas, balki kvazizarralardir; ular elektronning antizarrasi boʻlgan pozitrondan farq qiladi.

Kristallarda elektron tarmoqli strukturasini hisoblash elektronlar uchun samarali massaga olib keladi, bu odatda tarmoqli tepasida salbiy bo'ladi. Salbiy massa noaniq tushunchadir^[2] va bu holatlarda musbat massaga ega boʻlgan musbat zaryadni ko'rib chiqish orqali ko'proq tanish rasm topiladi.

Qattiq jismlar fizikasi

Qattiq jismlar fizikasida elektron tuynuk (odatda oddiygina teshik deb ataladi) to'liq valentlik zonasidan elektronning yo'qligidir. Teshik, aslida, elektronlarning kichik bir qismi etishmayotgan kristall panjaraning deyarli to'liq valentlik zonasidagi elektronlarning o'zaro ta'sirini kontseptsiyalashning bir usuli. Qaysidir ma'noda, yarimo'tkazgichli kristall panjara ichidagi teshikning harakati to'liq shisha suvdagi qabariq bilan solishtirish mumkin.^[3]

Soddalashtirilgan analogiya: auditoriyadagi bo'sh o'rindiq

Atom panjarasidagi teshiklarning harakatchanligini ko'rsatadigan bolalar boshqotirmasi. Plitkalar elektronlarga o'xshash, etishmayotgan kafel (pastki o'ng burchak) esa teshikka o'xshaydi. Plitkalarni siljitish orqali etishmayotgan kafelning holati turli joylarga ko'chirilishi mumkin boʻlgani kabi, kristall panjaradagi teshik ham atrofdagi elektronlarning harakati bilan panjaraning turli pozitsiyalariga o'tishi mumkin.

Valentlik zonasida teshik o'tkazuvchanligini quyidagi o'xshashlik bilan izohlash mumkin. Tasavvur qiling-a, bir qator odamlar auditoriyada o'tirgan, u yerda zaxira stullar yo'q. Qatorning oʻrtasida turgan kimdir ketmoqchi boʻlib, oʻrindiqning orqa tomonidan boshqa qatorga otilib chiqib ketadi. Bo'sh qator o'tkazuvchanlik zonasiga o'xshaydi va chiqib ketayotgan odam o'tkazuvchan elektronga o'xshaydi.

Endi tasavvur qiling, boshqa birov kelib, o'tirishni xohlaydi. Bo'sh qator yomon ko'rinishga ega; shuning uchun u yerda o'tirishni xohlamaydi. Buning o'rniga, gavjum qatordagi odam bo'sh o'rindiqqa ortda qolgan birinchi odamga o'tadi. Bo'sh o'rindiq chekka va o'tirishni kutayotgan odamga bir nuqtaga yaqinlashadi. Keyingi odam ergashadi, keyingisi va boshqalar. Aytish mumkinki, bo'sh o'rindiq qatorning chetiga qarab harakat qiladi. Bo'sh o'rindiq chetiga etib borgach, yangi odam o'tirishi mumkin.

Bu jarayonda qatordagilarning hammasi birga harakat qilishdi. Agar bu odamlar manfiy zaryadlangan bo'lsa (masalan, elektronlar), bu harakat o'tkazuvchanlikni tashkil qiladi. Agar o'rindiqlarning o'zi musbat zaryadlangan bo'lsa, unda faqat bo'sh joy ijobiy bo'lar edi. Bu teshik o'tkazuvchanligining juda oddiy modeli.

Valentlik zonasidagi bo'sh holatning harakatini ko'plab alohida elektronlar harakati sifatida tahlil qilish o'rniga, "teshik" deb ataladigan yagona ekvivalent xayoliy zarracha ko'rib chiqiladi. Qo'llaniladigan elektr maydonida elektronlar bir yo'nalishda harakat qiladi, ikkinchisida harakatlanadigan teshikka mos keladi. Agar teshik neytral atom bilan bog'lansa, bu atom elektronni yo'qotadi va ijobiy bo'ladi. Shuning uchun teshik elektron zaryadiga aniq teskari +e musbat zaryadga ega bo'ladi.

Aslida, kvant mexanikasining noaniqlik printsipi kristalda mavjud boʻlgan energiya darajalari bilan birlashganda, teshik oldingi misolda tasvirlanganidek, bitta pozitsiyaga lokalizatsiya qilinmaydi. To'g'rirog'i, teshikni ifodalovchi musbat zaryad yuzlab birlik hujayralarni qoplaydigan kristall panjaraning maydonini qamrab oladi. Bu qaysi uzilgan bog'lanish "yo'qolgan" elektronga mos kelishini ayta olmaslik bilan tengdir. O'tkazuvchanlik zonasi elektronlari ham xuddi shunday delokalizatsiyalangan.

Batafsil rasm: Teshik - bu manfiy massali elektronning yo'qligi

Yarimo'tkazgichli elektron tarmoqli strukturasi (o'ngda) har bir bandning dispersiya munosabatini, ya'ni elektronning to'lqin vektori k funksiyasi sifatida elektronning energiyasini o'z ichiga oladi. "To'ldirilmagan tarmoqli" - yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanlik zonasi ; ijobiy samarali massani ko'rsatadigan yuqoriga egri. "To'ldirilgan band" - yarimo'tkazgichning valentlik zonasi ; u pastga egri, bu salbiy samarali massani ko'rsatadi.

Yuqoridagi o'xshashlik ancha soddalashtirilgan va nega teshiklar Hall effekti va Seebek effektidagi elektronlarga qarama-qarshi ta'sir yaratishini tushuntirib bera olmaydi. Keyinchalik aniqroq va batafsil tushuntirish.^[4]

Dispersiya munosabati elektronlarning kuchlarga qanday munosabatda bo'lishini aniqlaydi (samarali massa tushunchasi orqali).^[4]

Dispersiya munosabati to'lqin vektori (k-vektor) va elektron tarmoqli tuzilishining bir qismi boʻlgan tarmoqli energiya o'rtasidagi munosabatdir. Kvant mexanikasida elektronlar to'lqinlar bilan, energiya esa to'lqin chastotasi bilan tavsiflanadi. Mahalliylashtirilgan elektron to'lqin paketidir va elektronning harakati to'lqinning guruh tezligi formulasi bilan topiladi. Elektr maydoni to'lqin paketidagi barcha to'lqin vektorlarini asta-sekin siljitish orqali elektronga ta'sir qiladi va uning to'lqin guruhi tezligi o'zgarganda elektron tezlashadi. Shunga ko'ra, elektronning kuchlarga javob berish usuli butunlay uning dispersiya munosabati bilan belgilanadi. Kosmosda suzuvchi elektron dispersiya munosabatiga ega E =ℏ ² k ² /(2 m), bu yerda m (haqiqiy) elektron massasi va ℏ kamaytirilgan Plank doimiysi . Yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismiga yaqin joyda dispersiya munosabati o'rniga E =ℏ ² k ² / (2 m ^*) (m ^* - samarali massa), shuning uchun o'tkazuvchanlik zonasi elektroni kuchlarga xuddi shunday javob beradi. massasi m ^* .

Valentlik bandining yuqori qismiga yaqin joylashgan elektronlar manfiy massaga ega boʻlgandek harakat qiladilar.^[4]

Valentlik zonasining yuqori qismiga yaqin dispersiya munosabati E =ℏ ² k ² /(2 m ^*) manfiy samarali massaga ega. Shunday qilib, valentlik zonasining yuqori qismiga yaqin joylashgan elektronlar manfiy massaga ega boʻlgandek harakat qiladilar. Agar kuch elektronlarni o'ngga tortsa, bu elektronlar aslida chapga siljiydi. Bu faqat valentlik zonasining shakliga bog'liq va bandning to'liq yoki bo'shligiga bog'liq emas.

Yarimo'tkazgich texnologiyasidagi roli

Ba'zi yarim o'tkazgichlarda, masalan, kremniyda, teshikning samarali massasi yo'nalishga (anizotropik) bog'liq, ammo ba'zi makroskopik hisoblar uchun barcha yo'nalishlar bo'yicha o'rtacha qiymatdan foydalanish mumkin.

Ko'pgina yarim o'tkazgichlarda teshikning samarali massasi elektronnikidan ancha katta. Bu elektr maydoni ta'sirida teshiklarning harakatchanligini pasaytiradi va bu yarimo'tkazgichdan yasalgan elektron qurilma tezligini sekinlashtirishi mumkin. Bu, iloji bo'lsa, teshiklarda emas, balki yarim o'tkazgich qurilmalarida elektronlarni asosiy zaryad tashuvchi sifatida qabul qilishning asosiy sabablaridan biridir. Shuning uchun ham NMOS mantig'i PMOS mantig'idan tezroq. OLED ekranlari nomutanosiblikni kamaytirish uchun o'zgartirildi, bu esa qo'shimcha qatlamlarni qo'shish va/yoki bitta plastik qatlamdagi elektron zichligini kamaytirish orqali radiatsiyaviy bo'lmagan rekombinatsiyaga olib keladi, shunda elektronlar va teshiklar emissiya zonasida aniq muvozanatlanadi. Biroq, ko'pgina yarim o'tkazgich qurilmalarda elektronlar ham , teshiklar ham muhim rol o'ynaydi. Masalan, p-n diodlar, bipolyar tranzistorlar va CMOS mantig'i .

Kvant kimyosidagi teshiklar

Hisoblash kimyosida elektron tuynuk atamasi uchun muqobil ma'no ishlatiladi. Birlashtirilgan klaster usullarida molekulaning asosiy (yoki eng past energiya) holati "vakuum holati" sifatida talqin qilinadi - kontseptsiyaga ko'ra, bu holatda elektronlar yo'q. Ushbu sxemada normal to'ldirilgan holatdan elektronning yo'qligi "teshik" deb ataladi va zarracha sifatida qaraladi va elektronning normal bo'sh holatda bo'lishi oddiygina "elektron" deb ataladi. Ushbu atama qattiq jismlar fizikasida qo'llaniladigan atama bilan deyarli bir xil.

Band bo'shlig'i
Tashuvchi avlod va rekombinatsiya
Samarali massa
Elektr qarshiligi va o'tkazuvchanligi
Teshik formalizmi

Manbalar

↑ Ashcroft and Mermin. Solid State Physics, 1st, Holt, Rinehart, and Winston, 1976 — 299–302-bet. ISBN 978-0030839931.
↑ For these negative mass electrons, momentum is opposite to velocity, so forces acting on these electrons cause their velocity to change in the 'wrong' direction. As these electrons gain energy (moving towards the top of the band), they slow down.
↑ Weller, Paul F. (1967). „An analogy for elementary band theory concepts in solids“. J. Chem. Educ. 44-jild, № 7. 391-bet. Bibcode:1967JChEd..44..391W. doi:10.1021/ed044p391.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th edition, pp. 194–196.

Andoza:Particles

[ashcroftandmermin-1] Ashcroft and Mermin. Solid State Physics, 1st, Holt, Rinehart, and Winston, 1976 — 299–302-bet. ISBN 978-0030839931.

[2] For these negative mass electrons, momentum is opposite to velocity, so forces acting on these electrons cause their velocity to change in the 'wrong' direction. As these electrons gain energy (moving towards the top of the band), they slow down.

[3] Weller, Paul F. (1967). „An analogy for elementary band theory concepts in solids“. J. Chem. Educ. 44-jild, № 7. 391-bet. Bibcode:1967JChEd..44..391W. doi:10.1021/ed044p391.

[Kittel-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th edition, pp. 194–196.

[1]

[2]

[3]

[4]