空穴
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概念

  空穴又称电洞(Electron hole),在固体物理学中指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下空位的现象。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量,从而摆脱共价键的约束成为自由电子,同时在共价键上留下空位,我们称这些空位为空穴。

  在材料学中,”空穴”(Void)是指材料中的空隙或孔洞。材料中的空穴可以是微观的缺陷或不均匀性,也可以是材料中故意留下的空间,如多孔材料。空穴的存在对材料的性能有重要影响,它们可以影响材料的密度、强度、热传导性和电导率等特性。在一些应用中,如减轻重量或降低热传导,空穴被故意引入到材料中。在材料制备和表征过程中,研究和控制材料中的空穴也是一个重要的课题。

空穴示意图

原理

  一个呈电中性的原子,其正电质子和负电电子的数量是相等的。当少了一个负电的电子,那里就会呈现出一个正电性的空位——空穴;反之,当有一个电子进来掉进了空穴,就会发出电磁波——光子。
  空穴不是正电子,电子与正电子相遇湮灭时,所发出来的光子是非常高能的(即所谓的猝灭现象)。那是两粒子的质量所完全转化出来的电磁波能(通常会转出一对光子)。而电子掉入空穴所发出来的光子,其能量通常只有几个电子伏特。
  半导体由于禁带较窄,电子只需不多的能量就能从价带激发到导带,从而在价带中留下空穴。周围电子可以填补这个空穴,同时在原位置产生一个新的空穴,因此实际上的电子运动看起来就如同是空穴在移动。
在半导体的制备中,要在4价的本征半导体(纯硅、锗等的晶体)的基础上掺杂。若掺入3价元素杂质(如硼、镓、铟、铝等),则可产生大量空穴,获得P型半导体,又称空穴型半导体。空穴是P型半导体中的载流子,为多子。
  在半导体里,出现了空穴这样一个名词。 当参杂B进入Si内此时B会以B+e-=B-和Si形成稳定共价键,即每个B会接受一个电子(电子来自其他Si之间的共价键中的价电子)使自己周围价电子变成4个才能和周围的4个Si形成稳定共价键故每加入1个B原子将产生一个空穴。
  空穴并不是真实存在的,只是对大量电子运动的一种等效,空穴的流动其实就是大量电子运动的等效的反运动,这从空穴的定义和特性就可以知道。

空穴导电

  一般的解释是,由于在四价的硅或锗晶体中掺进了三价的铟或镓原子,这些原子和硅或锗的原子的化合键中就缺少了一个电子.这个缺位叫空穴.这样的材料叫P型半导体.在外电场中,P型半导体中的电子会逆电场方向依次填补空穴,同时空穴也就沿电场方向移动.空穴就可以被认为是带正电的粒子,以它的运动取代电子的运行来解释P型半导体中电流的形成.用空穴概念甚至可以解释P型半导体的霍尔效应.一块通有电流的P型半导体置于磁场中.其中的空穴沿电流方向运动受磁场力方向向上,因而会在上缘集聚,使上缘带正电,同时下缘就带了负电.上缘电势就高于下缘电势.这一解释完全符合实验结果,说明概念是正确的。

空穴导电
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