что такое дырка в физике

Дырка

Оригинал на английском языке — Electron hole.

Эта отметка стоит на статье с 1 мая 2012.

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

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.

Источник

Полупроводники и их применение

Дырка

У этого термина существуют и другие значения, см. Дырка (значения).

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь улучшить эту статью, исправив в ней ошибки. Оригинал на английском языке — Electron hole. Эта отметка стоит на статье с 1 мая 2012 года.

Дырка
Символ:	h (англ. hole)
Когда электрон покидает атом гелия, на его месте остается дырка. При этом атом становится положительно заряженным.
Состав:	Квазичастица
Классификация:	Лёгкие дырки, тяжёлые дырки
В честь кого и/или чего названа:	Отсутствие электрона
Квантовые0числа:
Электрический заряд:	+1
Спин:	Определяется спином электронов в валентной зоне ħ

Ды́рка — 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).

Физика твёрдого тела

В физике твёрдого тела ды́рка — это отсутствие электрона в почти полностью заполненной валентной зоне. В некотором смысле, поведение дырки в полупроводнике похоже на поведение пузыря в полной бутылке с водой.

Дырочную проводимость можно объяснить при помощи следующей аналогии: имеется ряд людей, сидящих в аудитории, где нет запасных стульев. Если кто-нибудь из середины ряда хочет уйти, он перелезает через спинку стула в пустой ряд и уходит. Здесь пустой ряд — аналог зоны проводимости, а ушедшего человека можно сравнить со свободным электроном. Представим, что ещё кто-то пришёл и хочет сесть. Из пустого ряда плохо видно, поэтому там он не садится. Вместо этого человек, сидящий возле свободного стула, пересаживается на него, вслед за ним это повторяют и все его соседи. Таким образом, пустое место как бы двигается к краю ряда. Когда это место окажется рядом с новым зрителем, он сможет сесть.

В этом процессе каждый сидящий передвинулся вдоль ряда. Если бы зрители обладали отрицательным зарядом, такое движение было бы электрической проводимостью. Если вдобавок стулья заряжены положительно, то ненулевым суммарным зарядом будет обладать только свободное место. Это простая модель, показывающая как работает дырочная проводимость. Однако на самом деле, из-за свойств кристаллической решётки, дырка не в определённом месте, как описано выше, а размазана по области размером во много сотен элементарных ячеек.

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 или облучения ионизирующим излучением.

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

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

Виды проводимости полупроводников

Характерным свойством полупроводников является сильное изменение удельного сопротивления под влиянием электрического поля, облучения светом или ионизированными частицами, а также при внесении в полупроводник примеси или его нагреве. Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то полупроводников и диэлектриков – уменьшается. Это свидетельствует о различном характере проводимости названных материалов.

Для выяснения характера проводимости полупроводников рассмотрим некоторый объем идеальной кристаллической решетки германия со строго упорядоченным расположением атомов в узлах решетки – элемента IV группы периодической системы элементов Менделеева. На рис. 1.1, а объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоскостной решетки. В процессе формирования кристалла атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны с другими атомами посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки условно изображают ковалентную связь между каждой парой электронов, принадлежащих двум разным атомам

где Nn и Np – эффективные плотности состояний соответственно в зоне проводимости и валентной зоне; ЕF – уровень Ферми, под которым понимается такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна половине; k = 1,38?10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, К.

Перемножив равенства с учетом того, что эффективная масса дырки примерно равна массе электрона, при котором Nn » Np = N, получим

, .

Следовательно, концентрация носителей заряда тем больше, чем выше температура и чем меньше ширина запрещенной зоны. При этих же условиях (ni= pi) из выражений и находим

. Таким образом, уровень Ферми в беспримесном полупроводнике при любой температуре расположен посредине запрещенной зоны.

Под действием тепловой энергии электроны в зоне проводимости так же, как и дырки в валентной зоне, совершают хаотическое тепловое движение. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны. Такой процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией. Число рекомбинаций пропорционально концентрации носителей заряда.

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Его проводимость тем больше, чем интенсивней процесс генерации пар электрон-дырка и определяется движением обоих видов носителей электронов и дырок. Общую проводимость находят по формуле

, (1.6)

где qn и qp– заряд электрона и дырки; n и p – подвижность электронов и дырок соответственно.

Такая проводимость называется собственной проводимостью, а беспримесные полупроводники – полупроводниками с собственной проводимостью или полупроводниками типа i Собственная проводимость обычно невелика. Причем, как электронная, так и дырочная проводимости обусловлены движением в полупроводнике только электронов. Однако в первом случае движутся электроны, находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости, в направлении, противоположном направлению электрического поля. Во втором случае перемещаются электроны валентной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки), в направлении, противоположном перемещению дырок.

Если в кристалл германия добавить примесь элементов III или V группы таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

При внесении в предварительно очищенный германий примеси пятивалентного элемента (например, мышьяка) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя электронами соседних атомов германия, налаживают систему ковалентных связей, а пятый электрон оказывается избыточным. Энергетический уровень примеси ЕДлежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси (ЕД = Ее—ЕД), и переходят в зону проводимости.

Таким образом, в узлах кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы, а в объеме кристалла перемещаются избыточные электроны, имеющие энергию зоны проводимости.

Если освободившиеся электроны находятся вблизи своих ионов, то микрообъем, в целом, остается электронейтральным. При уходе электронов из микрообъема в последнем образуется положительный объемный заряд. Поскольку ЕДЕ, то количество электронов, переходящих под действием тепловой или другого вида энергии в зону проводимости с примесного уровня, значительно превышает количество

электронов, переходящих в зону проводимости из валентной зоны, участвующих в генерации пар электрон-дырка. Следовательно, число электронов в кристалле при внесении пятивалентной примеси превышает число дырок. Такой полупроводник обладает, в основном, электронной проводимостью, или проводимостью n-типа (n-полупроводник), а примесь, способная отдавать электроны, называется донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными – дырки.

При добавлении в кристалл германия примеси элементов III группы (например, индия) атомы индия замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. Однако в этом случае при комплектовании ковалентных связей одного электрона не хватает, поскольку атомы индия имеют лишь три валентных электрона (рис. 1.1, а). Так как примесный уровень индия Еа лежит в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, то достаточно очень небольшой энергии Еа= Е– Еv
IT News

Что такое полупроводник?

Дата Категория: Физика

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник, например, в кремний, ввести несколько атомов сурьмы, имеющей «избыток» электронов, то в этом случае свободные электроны сурьмы помогут кремнию переносить отрицательный заряд.

При замене нескольких атомов полупроводника индием, который легко присоединяет к себе дополнительные электроны, в полупроводнике образуются не занятые электронами «свободные места», или, как говорят физики, «дырки»; которые переносят положительный заряд.

Такие свойства полупроводников привели к их широкому использованию в транзисторах — устройствах для усиления тока, его блокирования или пропускания только в одном направлении. В типичном NPN транзисторе, слой полупроводника с положительной (Р) проводимостью (основание), расположен между двумя слоями полупроводника с отрицательной (N) проводимостью (эмиттером и коллектором). Когда слабый сигнал, например, от интеркома (аппарата селекторной связи), проходит через основание NPN транзистора, эмиссия электронов этот сигнал усиливает.

Строение полупроводников

Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.

Отличительные признаки полупроводников

В отличие от проводников, имеющих много свободных электронов, и изоляторов, практически их не имеющих, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белый кружочек) — вакантные места, оставленные свободными электронами. И дырки и электроны проводят электрический ток.

NPN транзистор

PNP транзистор

Дырки перемещаются от положительного эмиттера (+) к отрицательному основанию (N-слою) и далее через положительный коллектор к отрицательной клемме (-), усиливая электрический ток.

Что такое диод?

В одну сторону да, в другую — нет. Входной сигнал диода показывает переменный ток; из правого графика видно, что через диод проходит только постоянный ток.

Когда отрицательно заряженные электроны (голубые шарики) и положительно заряженные дырки (розовые шарики) расходятся от стыка слоев кремния N-типа и Р-типа в диоде, электрический ток прерывается. На нижнем рисунке справа электроны и дырки перемещаются к стыку, и в результате диод проводит ток только в одном направлении, превращая переменный ток в постоянный.

Производство

Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились в СССР еще в 1920-30-х годах. В 1924 году в Нижегородской радиолаборатории учёный О. В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приемопередаточное устройство — кристадин.

Позже в СССР для развития отрасли были созданы научно-исследовательские институты и центры. В 1956 году введен в эксплуатацию Завод полупроводниковых приборов. Среди продукции завода на то время — пальчиковые лампы широкого применения и сверхминиатюрные стержневые лампы, первые полупроводниковые диоды Д2, диоды Д9, Д10, Д101-103А, Д11, стабилитроны Д808-813.

В 2014 году на Заводе полупроводниковых приборов была запущена новая линия производства для разработки и освоения современных сложных корпусов для интегральных микросхем.

Среди крупных производителей интегральных микросхем в СССР и РФ — ОКБ «Искра». Среди продукции предприятия — сильноточные транзисторы, транзисторные модули и силовые быстровосстанавливающиеся диоды. В настоящее время предприятие выпускает микросхемы для нужд российского флота, армии, космоса и атомной энергетики.

На данный момент оба предприятия входят в холдинг «Росэлектроника».

Химия — Полупроводник — Список полупроводников

01 марта 2011
Оглавление:
1. Полупроводник
2. Механизм электрической проводимости полупроводников
3. Собственная плотность
4. Использование полупроводников в радиотехнике
5. Типы полупроводников в периодической системе элементов
6. Физические свойства и применение
7. Методы получения
8. Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

Широкое применние получили следующие соединения:

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния а также феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения.

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов:x1-x,x1-x,x1-x,x1-x и других.

Соединения AB, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах

Соединения AB используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения AB, AB и AB применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Источник

ДЫРКА

Полезное

Смотреть что такое «ДЫРКА» в других словарях:

ДЫРКА — в физике квантовое состояние, не занятое электроном. Термин дырка широко применяется в зонной теории твердого тела, как вакантное состояние в разрешенной заполненной зоне. Дырка положительно заряженный носитель заряда в полупроводнике … Большой Энциклопедический словарь

дырка — сущ. • дыра • прореха отверстие в одежде, обуви, не играющее функциональной роли) Словарь русских синонимов. Контекст 5.0 Информатик. 2012. дырка сущ., кол во синонимов: 19 • … Словарь синонимов

дырка — проводимости; дырка Незанятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне. Квазичастица с зарядом и спином электрона, возникающая при освобождении занятого состояния вырожденного ферми распределения электронов … Политехнический терминологический толковый словарь

ДЫРКА — ДЫРКА, дырки, жен. (разг.). уменьш. к дыра. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

ДЫРКА — ДЫРКА, и, жен. Небольшая дыра (в 1 знач.). Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

дырка — ДЫРКА, и, ж. 1. Женские половые органы. 2. Девушка, потерявшая невинность. 3. Пустой, никчемный человек. 4. Прокол на водительских правах. Нарваться на дырку. 5. обычно мн. Глаза. Дырки то протри проспись, смотри внимательнее. 6. Плохой вратарь.… … Словарь русского арго

ДЫРКА — место в кристаллической решётке в валентной зоне полупроводника, где не хватает электрона. Под действием приложенного напряжения электроны дрейфуют (см. (4)) к положительному полюсу. Движение электронов в почти заполненной энергетической зоне под … Большая политехническая энциклопедия

ДЫРКА — Белокурая дырка. Жарг. мол. Шутл. Певица Бритни Спирс. Круто 2003, № 20. Где ни дырка всё затычка. Сиб. Ирон. О человеке, который нужен, необходим в каждом деле. ФСС, 81. Дырка в грудину. Пск. Туберкулёз. ПОС 10, 84. Дырка в затылок. Жарг. лаг.… … Большой словарь русских поговорок

Дырка — У этого термина существуют и другие значения, см. Дырка (значения). Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия

дырка — и; мн. род. рок, дат. ркам; ж. 1. = Дыра (1 2 зн.). Дырки в стенах. В заднем зубе д. Заштопать дырку. На чулке огромная д. 2. Сквозное отверстие для крепления чего л. Дырки в ремне. Д. для шурупа. Просверлить, проткнуть дырку. 3. Разг. О пулевом … Энциклопедический словарь

Источник

Дырка (физика)

Дырка
Символ:	h (англ. hole )
Когда электрон покидает атом гелия, на его месте остается дырка. При этом атом становится положительно заряженным.
Состав:	Квазичастица
Классификация:	Лёгкие дырки, тяжёлые дырки
В честь кого и/или чего названа:	Отсутствие электрона
Квантовые 0 числа:
Электрический заряд:	+1 элементарного заряда
Спин:	Определяется спином электронов в валентной зоне ħ

Понятие дырки вводится в зонной теории твёрдого тела 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 (энергетические зоны лёгких и тяжёлых дырок, зона спин-орбитально отщеплённых дырок).

Содержание

Дырки в физике твёрдого тела

Для создания заметной концентрации дырок в полупроводниках используется легирование полупроводника акцепторными примесями.

Кроме того, дырки могут возникать в собственном (нелегированном) полупроводнике из-за возбуждения электронов и перехода их из валентной зоны в зону проводимости в результате внешних воздействий: нагрева, освещения светом с достаточной (превосходящей ширину запрещённой зоны) энергией фотонов или облучения полупроводника ионизирующим излучением.

В случае кулоновского взаимодействия дырка с электроном из зоны проводимости могут образовать связанное состояние, квазичастицу, называемую экситоном.

Упрощённая аналогия дырки

Дырочную проводимость можно объяснить при помощи следующей аналогии: имеется ряд кресел с сидящими людьми в аудитории, причём все кресла в ряду заполнены. Если кто-нибудь где-то из середины ряда хочет уйти, он перелезает через спинку кресла в соседний ряд свободных кресел и уходит. Здесь пустой ряд — аналог зоны проводимости, а ушедшего человека можно сравнить со свободным электроном. Представим, что ещё кто-то пришёл и хочет сесть. Из пустого ряда плохо видно сцену, поэтому там он не садится. Но и занять освободившееся кресло в заполненном ряду он не может, так как оно расположено далеко внутри ряда. Для того, чтобы усадить нового зрителя, человек, сидящий возле свободного стула, пересаживается на него, на освободившееся место пересаживается другой человек из соседнего с пустым кресла и это повторяют все соседи с пустым местом. Таким образом, пустое место как бы сдвигается к краю ряда. Когда это пустое место окажется рядом с новым зрителем, он сможет сесть.

В этом процессе каждый сидящий передвинулся. Если бы зрители обладали отрицательным зарядом, такое движение можно было бы уподобить электрической проводимости. Если вдобавок в этой модели предположить, что стулья заряжены положительно, а люди — отрицательно, и их заряды равны по модулю, то ненулевым суммарным зарядом будет обладать только свободное место. Это грубая модель объяснения дырочной проводимости.

Однако на самом деле из-за волновой природы электрона и свойств кристаллической решётки дырка не локализована в определённом месте, как описано выше, а «размазана» по части кристалла размером во много сотен размеров элементарной ячейки кристалла.

Более подробное описание

Квантовомеханическое рассмотрение электронов в твёрдом теле

В квантовой механике электроны можно рассматривать как волны де Бройля, а энергию электрона — как частоту этих волн.

Локализованный электрон представляет собой волновой пакет, и движение электрона как отдельной частицы определяется через формулу для групповой скорости волнового пакета.

Вблизи дна зоны проводимости полупроводника в дисперсионное соотношение E = E c + ℏ 2 k 2 / 2 m e ∗ <\displaystyle E=E_+\hbar ^<2>k^<2>/2m_^<*>> входит эффективная масса электрона m e ∗ <\displaystyle m_^<*>> , поэтому электрон с энергией вблизи дна зоны проводимости реагирует на внешнюю приложенную силу как обычная частица с положительной эффективной массой — при увеличении волнового числа энергия увеличивается, что выражается на графике в изгибе дна зоны проводимости вверх; через E c <\displaystyle E_> обозначена энергия дна (нижнего края) зоны.

Электроны с энергиями вблизи верха («потолка») валентной зоны E v <\displaystyle E_> при приложении силы ведут себя так, как будто они имеют отрицательную массу, поскольку при увеличении волнового числа энергия уменьшается. При этом в простейшем случае дисперсионное соотношение записывается как

E = E v − ℏ 2 k 2 2 m h ∗ <\displaystyle E=E_—<\frac <\hbar ^<2>k^<2>><2m_^<*>>>> .

Проводимость в валентной зоне

Полностью заполненная электронами валентная зона не участвует в электропроводности полупроводника.

Один из вариантов объяснения этого явления состоит в том, что электронные состояния вблизи верха валентной зоны имеют отрицательную эффективную массу, в то время как электронные состояния в глубине валентной зоны имеют положительную эффективную массу. При приложении внешней силы, вызванной, например, электрическим полем на электроны валентной зоны, возникают два равных и противоположно направленных тока которые взаимно компенсируют друг друга и суммарная плотность тока в результате равна нулю, то есть материал ведёт себя как изолятор.

Если из валентной зоны, полностью заполненной электронными состояниями удалить один электрон, то баланс токов нарушится. При наложении поля движение электронов с отрицательной эффективной массой движущемся в обратном направлении (относительно электронов с положительной эффективной массой) эквивалентно движению положительного заряда с положительной эффективной массой в том же направлении.

Дырка в верхней части валентной зоны будет двигаться в том же направлении, что и электрон вблизи верха валентной зоны, и поэтому аналогия с аудиторий тут не подходит, так как пустующее кресло в той модели движется противоположно направлению пересаживания людей и имеет «нулевую массу», в случае же электронов в валентной зоне происходит движение электронов в пространстве волновых векторов и приложенная сила перемещает все электроны валентной зоны в пространстве волновых векторов, а не в реальном пространстве, тут ближе аналогия с пузырьком воздуха в потоке воды, который перемещается вместе с потоком, а не против потока.

Исходя из вышесказанного, дырку можно рассматривать как квазичастицу, ведущую себя в электрических и магнитных полях как реальная частица с положительными зарядом и массой. Это связано с тем, что частица с отрицательными зарядом и массой ведёт себя в этих полях так же, как частица с положительными зарядом и массой. Поэтому в рассмотренном случае дырки можно рассматривать как обычные положительно заряженные квазичастицы, что и наблюдается, например, при экспериментальном определении знака заряда носителей заряда в эффекте Холла.

Понятие дырок в квантовой химии

Термин «дырка» также используется в вычислительной химии, где основное состояние молекулы интерпретируется как вакуумное состояние — условно принимается, что в этом состоянии нет электронов. В такой модели отсутствие электрона в разрешенном состоянии называется «дыркой» и рассматривается как некоторая частица. А присутствие электрона в обычно пустом пространстве просто называют «электроном». Такая терминология практически идентична используемой в физике твердого тела.

Источник