谈谈半导体中为什么会出现空穴这个词。。

atonement

首先解释一个名词：自由电子。什么是自由电子，自由电子指的是在一块物质内，比如一块固体，一杯液体中，不受相邻原子束缚，可以自由移动的电子。但这个自由，是相对的，相对于固体的表面和固体以外的区域来说，它是不自由的，因为它不能平白无故脱离该固体，如果要脱离，那需要一个额外的能量，也就是功函数。

元素周期表中，高原子序数的元素，基本都是金属。而低原子序数元素的金属，则都是最外层电子数量比较少的元素。高原子序数的原子，因其核外电子排列复杂，为了实现原子体系的能量最小化，会出现内层电子层未必填满，而外层电子层又被填满的情况，并且根据波尔的氢原子核外电子能级计算公式可知主量子数越大，最外层电子的结合能骤降，也就是对最外层电子的吸引力非常弱。这种情况下，金属希望自己是绝缘体都不可能了。
而在低原子序数中的金属，最外层电子数越少，其最外层电子的结合能就越弱，常温下的热运动就可以让其摆脱原子的束缚成为导体。

接下来说，为什么金属可以导电。为什么金属中没有空穴的说法。其实，金属也可以说空穴，那其实就是离子。之所以不说，是因为金属中最外层电子的结合能已经可以忽略不计，最外层电子可以任意的通过热运动进入任意的电子层，它可以进入第10层，第100层，第1000层，反正又花不了多少能量。而越高的电子层容纳的电子数量越多，根本不必担心没有能级容纳电子。这种情况下，考虑空穴就没有意义了。

而对于半导体来说，情况就不同了，以硅为例，本身其核外电子已经和相邻的核外电子组成了共价键，其实从可移动的角度来说，本征硅的最外层电子也是自由的，因为它被这块硅内所有原子共有。不同硅原子的最外层电子是可以通过一个接一个的接力交换，从一头到达另一头，但是这种交换却无法实现导电能力。因为这种交换没有产生电子的定向运动，并且它是半导体相邻原子之间的一种自身属性，却不是可以被外界电场弱电场所左右的。所以要让半导体实现导电功能，就需要让半导体像金属那样。有电子进入更外层的空电子层。

当受到某种外界能量的激发，硅原子最外层电子进入了更高电子层，如果它得到的能量不够高，那么它仍然不能摆脱改原子的束缚。但是即便如此，它仍然可以看做是自由电子但是这个自由电子的导电机理和金属中的自由电子不一样，金属中的自由电子可以直接在金属中做定向运动，而半导体中的电子却没有这么爽了，它的导电过程是不停得因为外界激发产生电子空穴对，在外加定向电场下，电子会沿着电场运动，但是它不能顺利得运动到导体的尽头，为了满足体系能量最低最稳定的原子，电子总是会往临近的空穴中回落。在不停得受到外界的能量激发下，半导体始终具备一定的导电能力，当外界的激发停止时，半导体又变成绝缘体。

正因为金属和绝缘体的导电机理不同，虽然金属也有“空穴”，但是金属的空穴意义不大，所以不提。而绝缘体导电的过程中要强调空穴，所以才说，半导体导电有两种载流子。

atonement

上午上班断断续续得写的，可能有点乱，没有检查，希望大家批评指正。因为量子力学的概念有点对对错错，所以这些解释可能也比较牵强晦涩。

兄弟看看

楼主辛苦了!

rzzjw

很好，理解多了一些

于海旺

空穴完全是为了能带理论框架下掺杂的半导体而引入的等效概念，它是对于共价键而言的。
所谓空穴是处于价带的电子在移动的过程中表现的像一个正电荷一样，所以就起了个名字叫空穴。空穴就是处于价带的电子。而空穴导电就是在表面看起来像是这个空穴在移动从而形成了电流的一种过程。
金属中只有电子，没有空穴。
空穴只是一个概念，并不是实际存在的粒子。
在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴引）被视为载流子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。在电场作用下能作定向运动的带电粒子。如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，放电气体中的离子等。
金属原子间的结合是金属键,半导体多为共价键,这就导致导电的时候金属没有空穴,半导体因为共价键中一个电子跑了,产生了空位,也就是空穴.

changwanren

主楼辛苦了，详细的介绍了一些物理概念。我的理解物体导电的内在原因：1、存在自由电子，2，存在阴阳离子。他们可以在电压的作用下，能够发生定向移动，形成电流。
空穴的概念：就是共价键中一个电子跑了,产生了空位,也就是空穴。

求知无足

纯正的半导体硅，其本身的导电能力是很微弱的。为了增强其导电能力，就要进行掺杂。掺入相应的三价或是五价元素则可以在本征激发外产生其他的载流子，例如若是加入三价元素比如硼，那么硅原子的四个价电子只有三个可以成键，剩下一个价电子，于是就相当于多了一个空穴，所以此时载流子即为正电性的空穴，形成P型半导体；若掺入五价元素比如磷，那么其中四个电子可以与硅原子的四个价电子成键，多出来的那个电子就相当于自由电子一样，形成N型半导体。掺入极少量的三价或是五价元素就可以大幅度改善本征半导体的导电性，我们才能够得到所谓的N型硅或者P型硅。

qzlbwang

求知无足 发表于 2018-9-8 22:10
纯正的半导体硅，其本身的导电能力是很微弱的。为了增强其导电能力，就要进行掺杂。掺入相应的三价或是五价 ...

领导潜水功夫够深的，很难得看见上来冒个泡了。

longshort

qzlbwang 发表于 2018-9-9 08:14
领导潜水功夫够深的，很难得看见上来猫个泡了。

也挤进来插一句，都象你我这么紧跟领导，空穴就都被挤没了！

qzlbwang

longshort 发表于 2018-9-9 08:17
也挤进来插一句，都象你我这么紧跟领导，空穴就都被挤没了！

太、、、、、、太太精辟啦！！！

贴梗海棠

谢谢楼主讲解，精辟！

飞蟾

其实吧，我一直觉得，如果非要扯上量子力学才能解释“空穴”这个东西，只能说明你对空穴的本质还没理解透。
空穴是啥？是“载流子”。载流子又是啥？中学生都知道“电荷的定向移动形成电流”，但“电荷”本来是个纯粹抽象的概念，而且也不是所有电荷都能随便移动的。所以，凡是在“电荷定向移动形成电流”这句话里实际扮演电荷这个角色的，就是载流子。
把原子的核外电子“挖掉”一个，肯定会出现一个空位。如果这个空位在外加电场作用下能充当载流子，那它就不仅仅是个空位，而是与自由电子具有相同地位的一种“准粒子”，给它起个专门的名字，就叫空穴。对于玩半导体元件的人来说，不需要追究“空穴”在量子力学里咋解释，只需要知道它带正电、电量与一个电子相等、能够“定向移动形成电流”足矣。

atonement

飞蟾 发表于 2018-9-9 10:12
其实吧，我一直觉得，如果非要扯上量子力学才能解释“空穴”这个东西，只能说明你对空穴的本质还没理解透。 ...

总觉得这些东西弄明白点更好。当然对于工程师来说可能是没什么用，就像PN结理论什么的也不用看，直接知道基本特性。

求知无足

qzlbwang 发表于 2018-9-9 08:14
领导潜水功夫够深的，很难得看见上来冒个泡了。

家有病人需要照顾，所以只能在这里时不时地突然冒个泡。咱爱矿坛，所以再忙也要经常来看看。