Кіріспе
Электронның тұжырымдамалық қарама-қарсысы. Физика, химия және электрондық инженерияда электрондық тесік (көбінесе тесік деп аталады) – атом немесе атомдық торда болуы мүмкін электронның жоқтығын көрсететін квазибөлшек. Қалыпты атом немесе кристалл торында электрондардың теріс заряды атом ядросының оң зарядымен теңестіріледі, сондықтан электронның жоқтығы тесіктің орнында таза оң зарядты қалдырады. Металл немесе жартылай өткізгіш кристалл торындағы тесіктер электрон сияқты тор арқылы қозғалып, оң зарядталған бөлшектерге ұқсас әрекет етеді. Олар транзисторлар, диодтар (соның ішінде жарықдиодтар) және интегралды схемалар сияқты жартылай өткізгіш құрылғылардың жұмыс істеуінде маңызды рөл атқарады. Электрон жоғарырақ күйге өткезілгенде, ол бұрынғы күйінде тесік қалдырады. Бұл мағына Аугер электрондық спектроскопиясында (және басқа рентгендік сәулелер техникаларында), есептеу химиясында және кристалдардағы (металдар мен жартылай өткізгіштердегі) электрон-электрон шашырауының төмен жылдамдығын түсіндіру үшін қолданылады. Элементар бөлшектер сияқты әрекет ететін тесіктер, шын мәнінде квазибөлшектер болып табылады; олар электронның антибөлшегі болып табылатын позитрондан ерекшеленеді. (Дирак теңізіне де қараңыз.) Кристаллдарда электрондық жолақтық құрылым есептеулері электрондар үшін әдетте жолақтың жоғарғы жағында теріс болатын тиімді массаны анықтауға мүмкіндік береді. Теріс масса – интуитивті емес ұғым, сондықтан мұндай жағдайларда оң зарядты оң массамен қарастыру арқылы көбірек таныс картинаны табуға болады.
In physics, chemistry, and electronic engineering, an electron hole (often simply called a hole) is a quasiparticle denoting the lack of an electron at a position where one could exist in an atom or atomic lattice. Since in a normal atom or crystal lattice the negative charge of the electrons is balanced by the positive charge of the atomic nuclei, the absence of an electron leaves a net positive charge at the hole's location. Holes in a metal or semiconductor crystal lattice can move through the lattice as electrons can, and act similarly to positively charged particles. They play an important role in the operation of semiconductor devices such as transistors, diodes (including light emitting diodes) and integrated circuits. If an electron is excited into a higher state it leaves a hole in its old state. This meaning is used in Auger electron spectroscopy (and other x ray techniques), in computational chemistry, and to explain the low electron electron scattering rate in crystals (metals and semiconductors). Although they act like elementary particles, holes are rather quasiparticles; they are different from the positron, which is the antiparticle of the electron. (See also Dirac sea.) In crystals, electronic band structure calculations lead to an effective mass for the electrons that is typically negative at the top of a band. The negative mass is an unintuitive concept, and in these situations, a more familiar picture is found by considering a positive charge with a positive mass.
Қатты дене физикасы
Қатты күй физикасында электрондық тесік (көбінесе жай ғана тесік деп аталады) – толық валенттік жолақта электроның жоқтығы. Тесік – бұл, негізінен, кристалл торындағы дерлік толық валенттік жолақтағы электрондардың өзара әрекеттесуін түсіндіру тәсілі, онда электрондардың шағын бөлігі жетіспейді. Бір жағынан, жартылай өткізгіштің кристалл торындағы тесіктің мінез-құлқы, толы су бөтелкесіндегі көпіршік сияқты. Тесік тұжырымдамасын 1929 жылы Рудольф Пейерлс ұсынды, ол Блох теоремасын қолданып Холл эффектін талдап, дерлік толық және дерлік бос Бриллуэн аймақтарының қарама-қарсы Холл кернеуін беретінін көрсетті. Қатты күй физикасындағы электрондық тесік тұжырымдамасы Дирак теңдеуіндегі тесік тұжырымдамасынан бұрын пайда болған, бірақ оның Дирактың ойлауына әсер еткендігіне ешқандай дәлел жоқ.
Толық сурет: Тесік - массасы теріс электронның болмауы
Жоғарыдағы аналогия өте қарапайымдатылған, және ол тесіктердің Холл эффектісі мен Зибек эффектісінде электрондарға кері әсер ететінін түсіндіре алмайды. Төменде дәлірек және егжей-тегжейлі түсіндірме келтірілген. em = 1.5 | мәтін = Дисперсиялық қатынас электрондардың күштерге қалай жауап беретінін анықтайды (тиімді масса тұжырымы арқылы). Дисперсиялық қатынас – бұл толқын векторы (k векторы) мен энергия арасындағы қатынас, электрондық жолақтың құрылымының бір бөлігі. Кванттық механикада электрондар толқындар болып табылады, ал энергия – толқын жиілігі. Локализацияланған электрон – бұл толқындық пакет, ал электронның қозғалысы толқынның топтық жылдамдығының формуласымен сипатталады. Электр өрісі электронға толқындық пакеттегі барлық толқын векторларын бірте-бірте жылдыру арқылы әсер етеді, ал электронның толқындық тобының жылдамдығы өзгергенде үдеуге ие болады. Сондықтан, электронның күштерге жауап беру жолы оның дисперсиялық қатынасымен толығымен анықталады. Ғарышта қалқып жүрген электронның дисперсиялық қатынасы 1=E = ħ^(2)k^(2)/(2m), мұндағы m – электронның (нақты) массасы, ал ħ – Планк тұрақтысының қысқартылған түрі. Жартылай өткізгіштің өткізгіштік жолағының төменгі жағында дисперсиялық қатынас 1=E = ħ^(2)k^(2)/(2m^(*)) (m^(*) – тиімді масса) болады, сондықтан өткізгіштік жолағындағы электрон күштерге m^(*) массасы бардай жауап береді. em = 1.5 | мәтін = Валенттілік жолағының жоғарғы жағындағы электрондар теріс массаға ие болғандай әрекет етеді. Валенттілік жолағының жоғарғы жағындағы дисперсиялық қатынас 1=E = ħ^(2)k^(2)/(2m^(*)) теріс тиімді массамен. Сондықтан валенттілік жолағының жоғарғы жағындағы электрондар теріс массаға ие болғандай әрекет етеді. Күш электрондарды оңға тартса, олар солға қарай қозғалады. Бұл тек валенттілік жолағының пішініне байланысты, және жолақтың толы немесе бос болуына қатысы жоқ. Егер сіз валенттілік жолағын бір жағынан босатып, бір электронды валенттілік жолағының максимум жанына орналастыра алсаңыз (тұрақсыз жағдай), бұл электрон күштерге жауап ретінде «бұрыс бағытта» қозғалады. em = 1.5 | мәтін = Позитивті зарядталған тесіктер – дерлік толы жолақтың жалпы тогын есептеудің ыңғайлы тәсілі. Толығымен толы жолақта ток әрқашан нөлге тең болады. Мұны түсінудің бір жолы – жолақтың жоғарғы жағындағы электрондардың тиімді массасы теріс, ал төменгі жағындағы электрондардың тиімді массасы оң, сондықтан жалқы қозғалыс нөлге тең. Егер валенттілік жолағы дерлік толы болса, бірақ бір электроны жоқ күй болса, онда бұл күй тесікпен толған деп айтамыз. Бүкіл валенттілік жолақтағы әрбір электронға байланысты токты есептеудің математикалық ыңғайлы тәсілі бар: нөлдік токтан бастаңыз (жолақ толы болғандағы жалқы мән), және тесік болмаған жағдайда әрбір тесік күйінде болатын электрондарға байланысты токты алып тастаңыз. Қозғалыстағы теріс зарядтан туындаған токты алып тастау, сол бағытта қозғалатын оң зарядтан туындаған токты қосумен бірдей болғандықтан, математикалық ыңғайлы тәсіл – әрбір тесік күйі оң зарядты алып жүреді деп есептеу, ал валенттілік жолақтағы басқа электрондық күйлерді ескермеу. em = 1.5 | мәтін = Валенттілік жолағының жоғарғы жағындағы тесік, валенттілік жолағының жоғарғы жағындағы электронның қозғалысы сияқты қозғалады (яғни өткізгіштік жолағындағы электрондарға бірдей күш әсер еткендегі бағытына қарама-қарсы). Бұл факт жоғарыда талқыланғаннан және анықтамадан туындайды. Бұл аудиториядағы аналогияның жаңылысқан жері. Адам толы аудиторияда солға жылса, бос орын оңға жылсады. Бірақ бұл бөлімде біз электрондардың k кеңістігіндегі қозғалысын қарастырып отырмыз, нақты кеңістікте емес, ал күштің әсері – барлық электрондарды k кеңістігінде бір уақытта бір бағытта жылдыру. Осы контексте, аналогияны өзендегі су астындағы көпіршікке теңеу дұрыс: көпіршік сумен бірдей бағытта қозғалады, керісінше емес. Күш = масса × үдеу формуласына сәйкес, валенттілік жолағының жоғарғы жағындағы теріс тиімді массалы электрон, берілген электрлік немесе магниттік күшке жауап ретінде өткізгіштік жолағының төменгі жағындағы оң тиімді массалы электрон сияқты қарама-қарсы бағытта қозғалады. Сондықтан, тесік те осылай қозғалады. em = 1.5 | мәтін = Қорытынды: Тесік – оң зарядты, оң массалы квазибөлшек. Жоғарыда айтылғандардан, тесік (1) оң зарядты және (2) электр және магнит өрістеріне оң зарядты және оң массалы бөлшектерге тәндей жауап береді. (Бұл соңғысы оң зарядты және оң массалы бөлшектің электр және магнит өрістеріне теріс зарядты және теріс массалы бөлшектермен бірдей жауап беруімен байланысты.) Осы себепті тесіктерді барлық жағдайларда қарапайым оң зарядталған квазибөлшектер ретінде қарастыруға болады.
Жартылай өткізгіш технологиясындағы рөлі
Силикон сияқты кейбір жартылай өткізгіштерде тесіктің тиімді массасы бағытқа (анизотроптық) тәуелді, бірақ кейбір макроскопиялық есептеулер үшін барлық бағыттар бойынша орташаланған мәнді қолдануға болады. Көптеген жартылай өткізгіштерде тесіктің тиімді массасы электронның тиімді массасынан әлдеқайда үлкен. Бұл электр өрісінің әсерімен тесіктердің жылдамдығын төмендетеді және бұл сол жартылай өткізгіштен жасалған электрондық құрылғының жұмыс жылдамдығын баяулатуы мүмкін. Сондықтан жартылай өткізгіш құрылғыларында тесіктердің орнына электронды негізгі заряд тасымалдаушы ретінде пайдаланудың маңызды себебі осы. NMOS логикасының PMOS логикасынан жылдам болуының себебі де осыған байланысты. OLED экрандарының сәуле шығармайтын рекомбинация нәтижесінде туындайтын тепе-теңсіздікті азайту үшін қосымша қабаттар қосылып және/немесе бір пластикалық қабаттағы электрондық тығыздық төмендетілді, соның арқасында электрондар мен тесіктер эмиссиялық аймақта нақты тепе-теңдікке ие болады. Дегенмен, көптеген жартылай өткізгіш құрылғыларында электрондар мен тесіктердің екеуі де маңызды рөл атқарады. Мысалдарға p-n диодтары, биполярлық транзисторлар және CMOS логикасы жатады.
Кванттық химиядағы тесіктер
Электрондық тесік деген терминнің баламалы мағынасы есептеу химиясында қолданылады. Жұптасқан кластерлер әдістерінде молекуланың негізгі (немесе ең төменгі энергия) күйі "вакуумдық күй" ретінде түсіндіріледі – тұжырымдама бойынша, бұл күйде электрон жоқ. Осы схемада, қалыпты толған күйден электронның жоқтығы "тесік" деп аталады және бөлшек ретінде қарастырылады, ал қалыпты бос күйде электронның болуы жай ғана "электрон" деп аталады. Бұл терминология қатты дене физикасында қолданылатын терминологияға өте ұқсас.