Elektronhul (kvasipartikel): Definition og rolle i halvledere

Lær om elektronhuller—kvasipartikler, deres opførsel og centrale rolle i halvledere, strømledning, dopning og moderne elektronik.

Et elektronhul (ofte blot kaldet et hul) er fraværet eller manglen på en elektron på det sted i et atom eller i et krystalgitter, hvor der ellers kunne være en elektron. Fordi elektroner bærer negativ ladning, opfattes et hul som positivt ladet; hullet opfører sig ikke som en fri partikel i klassisk forstand, men som en kvasipartikel, der repræsenterer den kollektive effekt af manglende elektroner. Elektronhuller må ikke forveksles med positroner, som er elektronens ægte antipartikel. Når elektroner skifter energiniveau eller flytter sig i et faste stoffers båndstruktur, efterlader de et elektronhul, som kan bevæge sig gennem materialet, når andre elektroner fylder hullet.

Grundlæggende egenskaber

• Kvasipartikel: Hullet beskrives ved en effektiv positiv ladning og en effektiv masse (ofte kaldet hullets effektive masse), som kan være forskellig fra elektronens masse i vakuum. Denne effektive masse afspejler, hvordan hullet reagerer på elektriske felter i materialets båndstruktur.
• Bevægelse: Når en nærliggende elektron fylder hullet, optræder det som om hullet har flyttet sig i modsat retning af elektronens bevægelse. Det er derfor ofte mere praktisk at beskrive strøm i nogle materialer ved hjælp af huller frem for individuelle elektroner.
• Energi og momentum: Huller har veldefinerede energi- og momentumegenskaber i båndteorien, og deres tilstedeværelse beskrives formelt ved fravær af elektronpopulation i valensbåndet.

Rolle i halvledere

I halvledere er elektronhuller centrale for ledning og for funktion af elektroniske komponenter. I et ubestrådt, udope ret rent halvledermateriale ligger valensbåndet normalt fuldt besat og ledningsbåndet tomt ved lave temperaturer. Når en elektron exciteres fra valensbåndet til ledningsbåndet (for eksempel ved termisk excitation eller ved absorption af et foton), efterlader den et hul i valensbåndet. Begge typer ladningsbærere bidrager til strøm: elektroner i ledningsbåndet og huller i valensbåndet.

• Doping: I p-type dopede halvledere skabes der et overskud af huller ved at introducere acceptor-impurities, som fjerner elektroner fra valensbåndet. Dette øger hulkoncentrationen og gør huller til hovedladningsbærere.
• Elektrisk ledning: Den elektriske ledning i en halvleder kan udtrykkes ved
  σ = q (n μn + p μp), hvor q er elementarladningen, n og p er koncentrationerne af elektroner og huller, og μn og μp er deres respektive mobiliteter. Huller bidrager altså direkte til den samlede ledningsevne.
• Enhedsopførsel i komponenter: I dioder, transistorer, lysdioder (LED) og solceller indgår huller i transport, rekombination og i dannelsen af p–n-overgange.

Oprettelse og rekombination

Elektron-hul-par (elektron i ledningsbåndet + hul i valensbåndet) kan dannes ved termisk agitation, ved fotonabsorption (f.eks. i solceller) eller ved elektrisk felt. Parene kan senere rekombinere, hvor et elektron fylder hullet. Rekombination kan være:

• Radiativ: Energi frigives som et foton — princip for lysdioder og mange fluorescerende processer.
• Ikke-radiativ: Energi overføres til gitteret som fononer eller til andre ubundne tilstande, hvilket resulterer i varmetab.

Rekombinationstiden (livstiden) for huller varierer stærkt afhængigt af materialet, renheden, og hvilke fælder eller defekter der findes i krystallgitteret.

Relaterede fænomener

• Excitoner: Et bundet elektron-hul-par kaldes et exciton. Excitoner har binding og bevæger sig som en neutral kvasipartikel og er vigtige i optiske processer i lav-dimensjonelle materialer og organiske halvledere.
• Huller i metaller: Begrebet hul anvendes også i metals fysik ved beskrivelse af tomme tilstande under Fermi-fladen — her er det en nyttig måde at beskrive elektronernes kollektive bevægelse på.

Forskelle til positron

Det er vigtigt at fremhæve, at et elektronhul ikke er en ægte antimaterie-partikel. En positron er elektronens antipartikel med samme masse som elektronet, men med positiv ladning og eksisterer frit i vakuum. Et elektronhul er derimod en beskrivelse af manglende elektroner inden for et materiale og afhænger af omgivelsernes båndstruktur og elektronpopulation.

Måling og anvendelse

Huller og deres egenskaber måles indirekte gennem elektrisk ledningsevne, Hall-effekt, optiske spektroskopier og tidsopløste rekombinationsmålinger. Forståelsen og kontrollen af huladfærd er afgørende for designet af moderne elektroniske og optoelektroniske enheder — fra effektive solceller til lysdioder og højfrekvente transistorer.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er et elektronhul?

Q: Hvilken ladning har et elektronhul?

Q: Betragtes elektronhuller som partikler?

Q: Hvordan adskiller elektronhuller sig fra positroner?

Q: Hvordan skabes elektronhuller?

Q: Kan elektronhuller eksistere uden tilstedeværelsen af elektroner?

Q: Hvad er årsagen til elektronhuller?

Søg efter bogstav