Elektron teshik

Электрон гелий атомини тарк этганда, у о'з о'рнида электрон тешик қолдиради. Бу гелий атомининг мусбат зарядланишига олиб келади.

Физикада, кимёда ва электрон муҳандисликда электрон туйнук (ко'пинча оддийгина тешик деб аталади) атом ёки атом панжарасида мавжуд бо'лиши мумкин бўлган ҳолатда электроннинг этишмаслиги.

Металл^[1] ёки яримо'тказгичли кристалл панжарадаги тешиклар электронлар каби панжара бо'йлаб ҳаракатланиши ва мусбат зарядланган заррачалар каби ҳаракат қилиши мумкин. Улар транзисторлар, диодлар ва интеграл микросхемалар каби яримо'тказгичли қурилмаларнинг ишлашида муҳим рол о'йнайди. Агар электрон юқорироқ ҳолатга қо'зг'атилган бо'лса, у эски ҳолатда тешик қолдиради. Бу ма'но Аугер электрон спектроскопиясида (ва бошқа рентген техникасида), ҳисоблаш кимёсида ва кристаллардаги (металлар, яримо'тказгичлар) паст электрон-электрон тарқалиш тезлигини тушунтириш учун ишлатилади. Гарчи улар элементар зарралар каби ҳаракат қилсалар ҳам, тешиклар аслида заррачалар эмас, балки квазизарралардир; улар электроннинг антизарраси бўлган позитрондан фарқ қилади.

Кристалларда электрон тармоқли структурасини ҳисоблаш электронлар учун самарали массага олиб келади, бу одатда тармоқли тепасида салбий бо'лади. Салбий масса ноаниқ тушунчадир^[2] ва бу ҳолатларда мусбат массага эга бўлган мусбат зарядни ко'риб чиқиш орқали ко'проқ таниш расм топилади.

Қаттиқ жисмлар физикаси

Қаттиқ жисмлар физикасида электрон туйнук (одатда оддийгина тешик деб аталади) то'лиқ валентлик зонасидан электроннинг ё'қлигидир. Тешик, аслида, электронларнинг кичик бир қисми этишмаётган кристалл панжаранинг деярли то'лиқ валентлик зонасидаги электронларнинг о'заро та'сирини концепциялашнинг бир усули. Қайсидир ма'нода, яримо'тказгичли кристалл панжара ичидаги тешикнинг ҳаракати то'лиқ шиша сувдаги қабариқ билан солиштириш мумкин.^[3]

Соддалаштирилган аналогия: аудиториядаги бо'ш о'риндиқ

Атом панжарасидаги тешикларнинг ҳаракатчанлигини ко'рсатадиган болалар бошқотирмаси. Плиткалар электронларга о'хшаш, этишмаётган кафел *(пастки о'нг бурчак)* эса тешикка о'хшайди. Плиткаларни силжитиш орқали этишмаётган кафелнинг ҳолати турли жойларга ко'чирилиши мумкин бўлгани каби, кристалл панжарадаги тешик ҳам атрофдаги электронларнинг ҳаракати билан панжаранинг турли позицияларига о'тиши мумкин.

Валентлик зонасида тешик о'тказувчанлигини қуйидаги о'хшашлик билан изоҳлаш мумкин. Тасаввур қилинг-а, бир қатор одамлар аудиторияда о'тирган, у ерда захира стуллар ё'қ. Қаторнинг ўртасида турган кимдир кетмоқчи бўлиб, ўриндиқнинг орқа томонидан бошқа қаторга отилиб чиқиб кетади. Бо'ш қатор о'тказувчанлик зонасига о'хшайди ва чиқиб кетаётган одам о'тказувчан электронга о'хшайди.

Энди тасаввур қилинг, бошқа биров келиб, о'тиришни хоҳлайди. Бо'ш қатор ёмон ко'ринишга эга; шунинг учун у ерда о'тиришни хоҳламайди. Бунинг о'рнига, гавжум қатордаги одам бо'ш о'риндиққа ортда қолган биринчи одамга о'тади. Бо'ш о'риндиқ чекка ва о'тиришни кутаётган одамга бир нуқтага яқинлашади. Кейинги одам эргашади, кейингиси ва бошқалар. Айтиш мумкинки, бо'ш о'риндиқ қаторнинг четига қараб ҳаракат қилади. Бо'ш о'риндиқ четига этиб боргач, янги одам о'тириши мумкин.

Бу жараёнда қатордагиларнинг ҳаммаси бирга ҳаракат қилишди. Агар бу одамлар манфий зарядланган бо'лса (масалан, электронлар), бу ҳаракат о'тказувчанликни ташкил қилади. Агар о'риндиқларнинг о'зи мусбат зарядланган бо'лса, унда фақат бо'ш жой ижобий бо'лар эди. Бу тешик о'тказувчанлигининг жуда оддий модели.

Валентлик зонасидаги бо'ш ҳолатнинг ҳаракатини ко'плаб алоҳида электронлар ҳаракати сифатида таҳлил қилиш о'рнига, "тешик" деб аталадиган ягона эквивалент хаёлий заррача ко'риб чиқилади. Қо'лланиладиган электр майдонида электронлар бир ё'налишда ҳаракат қилади, иккинчисида ҳаракатланадиган тешикка мос келади. Агар тешик нейтрал атом билан бог'ланса, бу атом электронни ё'қотади ва ижобий бо'лади. Шунинг учун тешик электрон зарядига аниқ тескари +э мусбат зарядга эга бо'лади.

Аслида, квант механикасининг ноаниқлик принципи кристалда мавжуд бўлган энергия даражалари билан бирлашганда, тешик олдинги мисолда тасвирланганидек, битта позицияга локализация қилинмайди. То'г'рирог'и, тешикни ифодаловчи мусбат заряд юзлаб бирлик ҳужайраларни қоплайдиган кристалл панжаранинг майдонини қамраб олади. Бу қайси узилган бог'ланиш "ё'қолган" электронга мос келишини айта олмаслик билан тенгдир. О'тказувчанлик зонаси электронлари ҳам худди шундай делокализацияланган.

Батафсил расм: Тешик - бу манфий массали электроннинг ё'қлиги

Яримо'тказгичли электрон тармоқли структураси (о'нгда) ҳар бир банднинг дисперсия муносабатини, я'ни электроннинг то'лқин вектори к функсияси сифатида *электроннинг* энергиясини о'з ичига олади. "То'лдирилмаган тармоқли" - яримо'тказгичнинг о'тказувчанлик зонаси ; ижобий самарали массани ко'рсатадиган юқорига эгри. "То'лдирилган банд" - яримо'тказгичнинг валентлик зонаси ; у пастга эгри, бу салбий самарали массани ко'рсатади.

Юқоридаги о'хшашлик анча соддалаштирилган ва нега тешиклар Ҳалл эффекти ва Сеэбек эффектидаги электронларга қарама-қарши та'сир яратишини тушунтириб бера олмайди. Кейинчалик аниқроқ ва батафсил тушунтириш.^[4]

Дисперсия муносабати электронларнинг кучларга қандай муносабатда бо'лишини аниқлайди (самарали масса тушунчаси орқали).^[4]

Дисперсия муносабати то'лқин вектори (к-вектор) ва электрон тармоқли тузилишининг бир қисми бўлган тармоқли энергия о'ртасидаги муносабатдир. Квант механикасида электронлар то'лқинлар билан, энергия эса то'лқин частотаси билан тавсифланади. Маҳаллийлаштирилган электрон то'лқин пакетидир ва электроннинг ҳаракати то'лқиннинг гуруҳ тезлиги формуласи билан топилади. Электр майдони то'лқин пакетидаги барча то'лқин векторларини аста-секин силжитиш орқали электронга та'сир қилади ва унинг то'лқин гуруҳи тезлиги о'згарганда электрон тезлашади. Шунга ко'ра, электроннинг кучларга жавоб бериш усули бутунлай унинг дисперсия муносабати билан белгиланади. Космосда сузувчи электрон дисперсия муносабатига эга Э =ℏ ² к ² /(2 м), бу ерда м (ҳақиқий) электрон массаси ва ℏ камайтирилган Планк доимийси . Яримо'тказгичнинг о'тказувчанлик зонасининг пастки қисмига яқин жойда дисперсия муносабати о'рнига Э =ℏ ² к ² / (2 м ^*) (м ^* - самарали масса), шунинг учун о'тказувчанлик зонаси электрони кучларга худди шундай жавоб беради. массаси м ^* .

Валентлик бандининг юқори қисмига яқин жойлашган электронлар манфий массага эга бўлгандек ҳаракат қиладилар.^[4]

Валентлик зонасининг юқори қисмига яқин дисперсия муносабати Э =ℏ ² к ² /(2 м ^*) манфий самарали массага эга. Шундай қилиб, валентлик зонасининг юқори қисмига яқин жойлашган электронлар манфий массага эга бўлгандек ҳаракат қиладилар. Агар куч электронларни о'нгга торца, бу электронлар аслида чапга силжийди. Бу фақат валентлик зонасининг шаклига бог'лиқ ва банднинг то'лиқ ёки бо'шлигига бог'лиқ эмас.

Яримо'тказгич технологиясидаги роли

Ба'зи ярим о'тказгичларда, масалан, кремнийда, тешикнинг самарали массаси ё'налишга (анизотропик) бог'лиқ, аммо ба'зи макроскопик ҳисоблар учун барча ё'налишлар бо'йича о'ртача қийматдан фойдаланиш мумкин.

Ко'пгина ярим о'тказгичларда тешикнинг самарали массаси электронникидан анча катта. Бу электр майдони та'сирида тешикларнинг ҳаракатчанлигини пасайтиради ва бу яримо'тказгичдан ясалган электрон қурилма тезлигини секинлаштириши мумкин. Бу, иложи бо'лса, тешикларда эмас, балки ярим о'тказгич қурилмаларида электронларни асосий заряд ташувчи сифатида қабул қилишнинг асосий сабабларидан биридир. Шунинг учун ҳам НМОС мантиг'и ПМОС мантиг'идан тезроқ. ОЛЕД экранлари номутаносибликни камайтириш учун о'згартирилди, бу эса қо'шимча қатламларни қо'шиш ва/ёки битта пластик қатламдаги электрон зичлигини камайтириш орқали радиациявий бо'лмаган рекомбинацияга олиб келади, шунда электронлар ва тешиклар эмиссия зонасида аниқ мувозанатланади. Бироқ, ко'пгина ярим о'тказгич қурилмаларда электронлар ҳам , тешиклар ҳам муҳим рол о'йнайди. Масалан, п-н диодлар, биполяр транзисторлар ва CМОС мантиг'и .

Квант кимёсидаги тешиклар

Ҳисоблаш кимёсида электрон туйнук атамаси учун муқобил ма'но ишлатилади. Бирлаштирилган кластер усулларида молекуланинг асосий (ёки энг паст энергия) ҳолати "вакуум ҳолати" сифатида талқин қилинади - концепцияга ко'ра, бу ҳолатда электронлар ё'қ. Ушбу схемада нормал то'лдирилган ҳолатдан электроннинг ё'қлиги "тешик" деб аталади ва заррача сифатида қаралади ва электроннинг нормал бо'ш ҳолатда бо'лиши оддийгина "электрон" деб аталади. Ушбу атама қаттиқ жисмлар физикасида қо'лланиладиган атама билан деярли бир хил.

Банд бо'шлиг'и
Ташувчи авлод ва рекомбинация
Самарали масса
Электр қаршилиги ва о'тказувчанлиги
Тешик формализми

Манбалар

↑ Ашcрофт анд Мермин. Солид Стате Пҳйсиcс, 1ст, Ҳолт, Ринеҳарт, анд Wинстон, 1976 — 299–302-бет. ИСБН 978-0030839931.
↑ Фор тҳесе негативе масс элеcтронс, моментум ис оппосите то велоcитй, со форcес аcтинг он тҳесе элеcтронс cаусе тҳеир велоcитй то чанге ин тҳе 'wронг' диреcтион. Ас тҳесе элеcтронс гаин энергй (мовинг тоwардс тҳе топ оф тҳе банд), тҳей слоw доwн.
↑ Wеллер, Паул Ф. (1967). „Ан аналогй фор элементарй банд тҳеорй cонcепц ин солидс“. Ж. Чем. Эдуc. 44-жилд, № 7. 391-бет. Бибcоде:1967ЖЧед..44..391W. дои:10.1021/эд044п391.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 Киттел, Интродуcтион то Солид Стате Пҳйсиcс, 8тҳ эдитион, пп. 194–196.

Андоза:Партиcлес

[ashcroftandmermin-1] Ашcрофт анд Мермин. Солид Стате Пҳйсиcс, 1ст, Ҳолт, Ринеҳарт, анд Wинстон, 1976 — 299–302-бет. ИСБН 978-0030839931.

[2] Фор тҳесе негативе масс элеcтронс, моментум ис оппосите то велоcитй, со форcес аcтинг он тҳесе элеcтронс cаусе тҳеир велоcитй то чанге ин тҳе 'wронг' диреcтион. Ас тҳесе элеcтронс гаин энергй (мовинг тоwардс тҳе топ оф тҳе банд), тҳей слоw доwн.

[3] Wеллер, Паул Ф. (1967). „Ан аналогй фор элементарй банд тҳеорй cонcепц ин солидс“. Ж. Чем. Эдуc. 44-жилд, № 7. 391-бет. Бибcоде:1967ЖЧед..44..391W. дои:10.1021/эд044п391.

[Kittel-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 Киттел, Интродуcтион то Солид Стате Пҳйсиcс, 8тҳ эдитион, пп. 194–196.

[1]

[2]

[3]

[4]