空穴是物理学、化学和电子学中常用的一个概念,指的是在原子或原子晶格中,本来可能存在电子的位置出现了电子缺失。考虑到原子核中正电荷的作用,在出现电子缺失的位置会留下一个净的正电荷。这种正电荷的作用我们就可以想象成出现了一个带正电的空穴。金属或半导体晶格中的空穴可以像电子一样在晶格中移动,并且类似于带正电荷的粒子。但要注意空穴不是实际的粒子,而是原子核和核外部分缺失的电子总体效应形成的一个准粒子。空穴在半导体器件如晶体管、二极管或集成电路中扮演着重要的作用。空穴和正电子不同,正电子是一种实际的粒子,质量和电子相同,电荷和电子相反;而空穴的电荷量也和电子相反,但其不存在质量。我们考虑它使,经常谈论的是它的有效质量。空穴的有效质量和价带的形状有关。
图1. 氦原子核外电子丢失一个之后整体带一个正电荷,相当于形成了一个空穴
我们可以通过以下的场景想象一下空穴的具体物理图象。想象一下在礼堂里有一排椅子坐满了人,没有多余的椅子。每个人带一个负电荷,椅子带正电荷,总体的电荷为零。这时候在中间的人想要离开,但是两边都不能出去,因为坐满了人。于是它跳到了后面一排椅子,轻轻松松走了出去。这里后面的椅子类似于导带,走出去的人类似于自由电子。
如果这时候又来了一个人,想在前排椅子坐下。但是空座位在中间,他进不去。这时候,前排的人开始移动,空座位因此也跟着开始移动。最后空座位到了边上,新的人便很容易坐下了。在这个过程中就相当于带负电的电子整体运动形成了电荷的传导。但我们可以简化成带正电的空座位的运动。最后空穴移动到边上,和来的电子相结合。这就是空穴传道的基本图象。
在大多数半导体中,空穴的有效质量远大于电子的有效质量。 这导致在电场的作用下空穴的迁移率更低,因此,利用空穴导电的半导体制成的电子器件速度将更低。所以我们一般采用电子型半导体去制作电子器件。
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