Что такое дырки в физике

Электроны и дырки

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике находятся в атомах на своих местах и полупроводник плохо проводит ток. Но связаны электроны с атомами слабее, чем в диэлектрике. При росте температуры, сопротивление полупроводников падает, то есть проводимость полупроводника в отличии от металлов при нагревании увеличивается. Иначе говоря, при нагревании в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, тем самым увеличивая способность проводить электрический ток. Этот эффект называют электронной проводимостью полупроводника.

С другой стороны, поскольку атомы полупроводника закреплены в кристаллической решетке, атомы лишившиеся электрона приобретают положительный заряд, получается «дырка». Электроны соседних атомов перескакивают к атому с положительным зарядом, таким образом возникает видимость движения положительного заряда — «дырочная» проводимость. Закономерности «дырочной» проводимости таковы, что этим «дыркам» физики условно приписывают и заряд (положительный, равный заряду электрона), и «эффективную массу».

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, при приложении потенциала, одинаковое число электронов и дырок движется в разных направлениях. При добавлении в полупроводник атомов легко отдающих электроны, в полупроводнике превалирует электронная проводимость и сопротивление электрическому току резко падает. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.

Аналогично, при легировании материалами, способными захватывать лишние электроны, получают полупроводник p-типа.

Если в полупроводнике одна часть обладает проводимостью p-типа, а другая — n-типа, между этими областями возникает граница, обладающая односторонней проводимостью. На этом принципе работает большинство полупроводниковых диодов и транзисторов. Кроме того, на границе возникает энергетический барьер, для преодоления которого необходимо приложить дополнительный потенциал. В результате этого, полупроводниковый диод имеет падение напряжения при прямом токе. При положительной полярности внешнего напряжения, плюс — к p-зоне, минус — к n-зоне, происходит перескакивание электронов и дырок (рекомбинирование), в результате чего выделяется энергия. В случае выпрямительных диодов и транзисторов, стараются максимально уменьшить энергетический барьер, так как рекомбинация происходит с выделением тепла, равным энергии барьера, или энергии рекомбинации. Если же увеличить энергию рекомбинации, то при достижении уровня энергии фотонов видимого света, частично процесс рекомбинации происходит с излучением света. Соотношение тепловой и излучательной рекомбинации называют квантовым выходом, или эффективностью светодиода.

Поскольку энергия рекомбинации равна величине энергетического барьера, излучение происходит в узкой области спектра. Поэтому все светодиоды излучают монохроматическое излучение. Белые (полихромные) светодиоды в своей основе имеют также монохроматические светодиодные чипы.

Сначала полупроводниковые приборы делали «гомопереходными», в них p-n- переход возникал в полупроводнике одного базового вещества. Но вскоре появилась устройства, в которых такой переход создавался на границе двух различных полупроводников. В результате, появилась возможность создать полупроводниковые приборы меньшего размера и с большей эффективностью. Так, первые «гомопереходные» полупроводниковые светодиоды могли работать только при температуре жидкого азота, а «гетеропереходные» работают и при комнатной температуре.

При выборе материалов для изготовления светодиодов, существенными становятся оптические свойства полупроводников. Материал одного из компонентов должен быть прозрачным или чрезвычайно тонким, а граница или второй материал должен хорошо отражать свет в области излучаемого спектра. Наряду с квантовым выходом, это наиболее важные условия увеличения эффективности светодиодов.

Дырка

Дырка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду в полупроводниках. Определение по ГОСТ 22622-77: Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона. Понятие дырки вводится в зонной теории для описания электронных явлений в не полностью заполненной электронами валентной зоне. В электронном спектре валентной зоны часто возникает несколько зон, различающихся величиной эффективной массы и энергетическим положением (зоны легких и тяжёлых дырок, зона спин-орбитально отщепленных дырок).

Содержание

Физика твёрдого тела

В физике твёрдого тела, ды́рка — это отсутствие электрона в электронной оболочке. В некоторых случаях, поведение дырки внутри кристаллической решётки полупроводника сравнимо с поведением пузыря в полной бутылке с водой [1] . Дырочная проводимость может быть объяснена следующим образом: представьте себе ряд людей сидящих в аудитории, где нет запасных стульев. Если кто-нибудь из середины ряда хочет уйти, он прыгает через спинку стула в пустой ряд и уходит. Здесь пустой ряд — аналогия зоны проводимости, а ушедшего человека можно сравнить с свободным электроном. Теперь представим, что ещё кто-то хочет прийти и сесть. В пустом проходе неудобно находиться, и он хочет сесть. Тогда зритель, сидящий возле пустого места пересаживается туда, и это повторяют все его соседи. Таким образом, пустое место как бы двигается к краю ряда. Когда вакантное место окажется рядом с новым зрителем, он сможет сесть в освободившееся место. В этом процессе каждый сидящий передвинулся вдоль ряда. Если представить, что зрители это отрицательно заряженные электроны, такое движение можно было бы назвать электрической проводимостью, тогда вакантные места обладают положительным зарядом. Это простая модель, показывающая как дырочная проводимость работает. Однако в реальности, из-за свойств кристаллической решётки, дырка не локализована в определённом месте, как описано выше, а размазана на площади многих сотен кристаллических решеток.

Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом.

В случае кулоновского взаимодействия дырки с электроном из зоны проводимости образуется связанное состояние, называемое экситоном.

Тяжелые дырки — название одной из ветвей энергетического спектра валентной зоны кристалла.

Дырки в квантовой химии

Термин ды́рка также используется в вычислительной химии, где основное состояние молекулы интерпретируется как вакуумное состояние — в этом состоянии нет электронов. В такой схеме, отсутствие электрона в обычно-заполненном состоянии называется ды́ркой, и рассматривается как частица. А присутствие электрона в обычно-пустом пространстве просто называют электроном.

Чем отличается дырка от отверстия?

Чем отличается

В повседневной жизни вряд ли кто-то задумывается над тем, как правильно употреблять те или иные слова, особенно если они очень похожи по смыслу. Взять хотя бы понятия «дыра» и «отверстие». Как не назови, все равно ведь речь идет о какой-то полости или поврежденной поверхности. Но, если лучше изучить этот вопрос, то сразу становятся заметными некоторые отличия.

Что такое дыра или дырка?

Разница между понятиями кроется уже в определении. Например, дыра – это проем, который возник случайным образом или преднамеренно в результате чьего-либо воздействия. Это лишь общее определение, поскольку слово имеет достаточно много значений и используется в разных сферах деятельности.

Ямальская воронка – “дыра” в земле

Если рассматривать дыру в обыденном смысле, то чаще всего мы имеем в виду брешь, которая не имеет определенной функциональной роли. Причем сразу возникает своего рода негативная реакция на это слово, связанная, например, с испорченной одеждой. Интересно сравнить некоторые выражения со словом «дырка»:

• дырка от бублика;
• дырка в носке;
• пустому карману дырка не страшна;
• дырка на дырке;
• в любую дыру прошмыгнет и т.п.

Сразу становится очевидно, что это слово обозначает нечто неприятное, бесполезное, не заслуживающее внимания.

Дыра может иметь произвольный размер и форму. Но в некоторых случаях она приобретает более интересные значения. Например:

1. Пещера – это дыра в земной поверхности, которая может представлять интерес для исследователей-спелеологов.
2. Черная дыра – космологическое понятие; область пространства и времени, пределы которой не могут покинуть объекты, даже движущиеся со скоростью света.
3. Дырка (в физике) – квазичастица в полупроводниках.

Что такое отверстие и чем оно отличается от дырки?

Отверстие – это технический термин, который указывает на полый внутренний элемент конструкции либо детали, выходящей на поверхность. Отверстия различают по форме и проходимости сквозь деталь на следующие виды:

• цилиндрические (конические) и нецилиндрические (продолговатые, квадратные);
• сквозные (в том числе сквозные прерывистые) и несквозные.

Слово «отверстие» имеет более положительные ассоциации. Оно связано с определенной задачей, целью, необходимостью. Например: «Чтобы повесить картину, нужно вбить гвоздь в стену – проделать отверстие». Или «Попасть в подвал можно было только через овальное отверстие люка». Таким образом, понятие «отверстие» обычно несет в себе какое-то предназначение или пользу.

Разница между дыркой и отверстием:

1. «Дырка» – слово, употребляемое в разговорной речи (за исключением научного термина из квантовой физики). «Отверстие» – техническое понятие.
2. «Дырка» имеет негативную стилистическую окраску, «отверстие» – нейтральное слово.
3. Дырка ассоциируется со словом «брешь» и не приносит пользы. Отверстие, как правило, возникает целенаправленно и имеет определенную функцию.
4. Дырка может иметь любой размер и произвольную форму, чаще всего – неправильную. Отверстие, образовавшееся целенаправленно, имеет определенный размер и форму, подлежит соответствующей классификации.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

2. Что такое «дырка» с точки зрения зонной теории?

В полупроводниках и диэлектриках при 0 К все электроны находятся в валентной зоне. Для появления электропроводности необходимо часть электронов из валентной зоны перевести в зону проводимости. Энергии электрического поля для этого может оказаться недостаточным и требуется более сильное энергетическое воздействие, например нагревание твердого тела. Тогда часть электронов «перебрасывается» (через запрещенную зону) из валентной зоны в зону проводимости и, становясь свободными, электроны могут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную проводимость материала.

В валентной зоне, откуда ушел электрон, образуется так называемая «дырка» — энергетическая вакансия, которая ведет себя во внешнем электрическом поле как положительный заряд, то есть двигается в электрическом поле в противоположную от электрона сторону и в полупроводнике происходит эстафетное движение электронов, заполняющих образующиеся дырки.

Электроны из зоны проводимости могут возвращаться в валентную зону, то есть рекомбинировать с дырками. В связи с этим при любой температуре наступает динамическое равновесие — количество электронов переходящих в свободную зону равно количеству электронов, возвращающихся в нормальное состояние (валентную зону).

3. Каков физический смысл уровня Ферми?

Функция распределения Ферми-Дирака, описывающая распределение фермионов по состояниям, имеет следующий вид:

здесь E_F — химический потенциал системы фермионов, т.е. работа, которую необходимо затратить, чтобы изменить число частиц в системе на одну.

В случае электронов величина E_F называется энергией Ферми.

Как видно из формулы, для любой энергии частицы, большей энергии Ферми, экспонента в знаменателе стремится к бесконечности при T → 0 K, следовательно f(Е) стремится к нулю. Это значит, что все энергетические состояния с Е > E_F совершенно свободны при абсолютном нуле. Если Е < E_F при T → 0 K , f(E) → 1. Это значит, что все квантовые состояния с энергией, меньше энергии Ферми, полностью заняты электронами. Отсюда понятен физический смысл энергии Ферми как параметра распределения электронов по состояниям: энергия Ферми есть максимально возможная энергия электронов в металле при температуре абсолютного нуля. Энергетический уровень, соответствующий энергии Ферми, называется уровнем Ферми.

Каким образом создается в полупроводниках p- или n-типа проводимость?

Электронная (n-типа) проводимость образуется при при введении в собственный полупроводник донорной примеси. Донорами являются атомы пятой группы таблицы Менделеева (например, P, As, Sb). Уровень энергии E_D, соответствующей донорной примеси, лежит в запрещенной зоне “ниже” E_C. Поэтому уже при комнатной температуре почти все доноры будут ионизированы, т.е. “лишние” электроны атомов донорной примеси перейдут в зону проводимости. Концентрация электронов n_e в зоне проводимости примерно равна концентрации атомов примеси. Электроны могут попадать в зону проводимости и из валентной зоны, в которой при этом образуются дырки. Поскольку вероятность такого перехода мала, т.к. ΔE>>( E_C — E_D), то и концентрация дырок n_p в валентной зоне будет незначительна: n_e >> n_p.

В полупроводнике n— типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

Проводимость p— типа образуется при введении в полупроводник акцепторной примеси. Акцепторная примесь – атомы трехвалентных элементов (например, Al, In, Ga ). Уровень энергии E_A акцепторов находиться тоже внутри запрещенной зоны, но вблизи потолка валентной зоны. Вследствие малости этой энергии акцепторы при обычных температурах будут все ионизированы, что соответствует переходу электронов из валентной зоны на акцепторный уровень. В валентной зоне образуется множество дырок; концентрация их примерно равна концентрации акцепторов. В зоне проводимости будет небольшое количество электронов, при этом n_e << n_p, т.е. электроны в полупроводнике p- типа – неосновные носители.