الثقب الإلكتروني في فيزياء الكم

إن الثقوب تتحرك أيضا، إذ قد يملأ الإلكترون داخل نطاق التكافؤ الثقب تاركًا ثقبًا آخر في مكانه، حيث أنه بهذه الطريقة يبدو أن هناك ثقبًا يتحرك، وفي وجود مجال كهربائي تتحرك الإلكترونات في اتجاه واحد ويبدو أن الثقوب تتحرك في الاتجاه المعاكس.

الثقب الإلكتروني

في الفيزياء والكيمياء والهندسة الإلكترونية يعتبر أن ثقب الإلكترون الذي غالبًا ما يسمى ثقبًا، فهو شبه جسيم وهو عدم وجود إلكترون في موضع يمكن أن يوجد فيه المرء في ذرة أو شعرية ذرية، ونظرًا لأنه في الذرة العادية أو الشبكة البلورية يتم موازنة الشحنة السالبة للإلكترونات من خلال الشحنة الموجبة للنواة الذرية، فإن غياب الإلكترون يترك صافي شحنة موجبة في موقع الثقب.

عندما ينفصل الإلكترون عن ذرة الهيليوم فإنه يعمل ثقبًا إلكترونيًا في مكانه، فهذا يعمل على أن تصبح ذرة الهليوم موجبة الشحنة، ويمكن أن تتحرك الثقوب الموجودة في المعدن أو الشبكة البلورية شبه الموصلة عبر الشبكة، كما تستطيع الإلكترونات وتعمل بشكل مشابه للجسيمات المشحونة إيجابًا، فهي تلعب دورًا مهمًا في تشغيل أجهزة أشباه الموصلات مثل الترانزستورات والثنائيات والدوائر المتكاملة.

فإذا كان الإلكترون متحمسًا إلى حالة أعلى فإنه يترك فجوة في حالته القديمة، حيث يستخدم هذا المعنى في التحليل الطيفي الإلكتروني لأوجير وتقنيات الأشعة السينية الأخرى وفي الكيمياء الحسابية وشرح معدل تشتت الإلكترون المنخفض في البلورات مثل المعادن وأشباه الموصلات.

وعلى الرغم من أنها تعمل مثل الجسيمات الأولية، فإن الثقوب ليست في الواقع جسيمات بل هي أشباه جسيمات، فهي تختلف عن البوزيترون وهو الجسيم المضاد للإلكترون، حيث تتكون الجوامد من ثلاثة أنواع فقط من الجسيمات الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات.

في البلورات تعمل حسابات بنية النطاق الإلكتروني إلى كتلة فعالة للإلكترونات تكون دائما سالبة في الجزء العلوي من النطاق، حيث تعتبر الكتلة السالبة مفهومًا غير بديهي، وفي هذه المواقف يمكن العثور على صورة أكثر شيوعًا من خلال النظر في شحنة موجبة ذات كتلة موجبة.

الثقب الإلكتروني في فيزياء الحالة الصلبة

في فيزياء الحالة الصلبة يعتبر ثقب الإلكترون إذ يشار إليه عادةً ببساطة بالثقب، وهو عدم وجود إلكترون من نطاق تكافؤ كامل، حيث أن الثقب هو في الأساس طريقة لتصور تفاعلات الإلكترونات داخل نطاق تكافؤ كامل تقريبًا لشبكة بلورية، والتي تفتقد جزءًا صغيرًا من إلكتروناتها، من بعض النواحي إن سلوك الثقب داخل الشبكة البلورية شبه الموصلة يمكن مقارنته بسلوك الفقاعة في زجاجة ماء ممتلئة.

• لغز للأطفال يوضح تنقل الثقوب في الشبكة الذرية، ففي الصورة البلاط يشبه الإلكترونات بينما البلاط المفقود مماثل للثقب، مثلما يمكن نقل موضع البلاط المفقود إلى مواقع مختلفة عن طريق تحريك البلاط يمكن أن ينتقل ثقب في الشبكة البلورية إلى مواضع مختلفة في الشبكة بواسطة حركة الإلكترونات المحيطة، فيمكن تفسير توصيل الثقب في نطاق التكافؤ بالقياس التالي:

• بتخيل أن صفًا من الأشخاص جالسين في قاعة حيث لا توجد مقاعد احتياطية، إذ يريد شخص ما في منتصف الصف المغادرة فيقفز من فوق ظهر المقعد إلى صف آخر ويخرج، حيث أن الصف الفارغ مشابه لفرقة التوصيل والشخص الذي يخرج مشابه لإلكترون التوصيل.

• ويوجد شخصًا آخر يأتي معك ويريد الجلوس، حيث أن الصف الفارغ له منظر رديء؛ لذلك فهو لا يريد الجلوس هناك، وبدلاً من ذلك ينتقل شخص في الصف المزدحم إلى المقعد الفارغ الذي تركه الشخص الأول وراءه، والمقعد الفارغ يتحرك نقطة واحدة أقرب إلى الحافة وينتظر الشخص الجلوس.

• يتبع الشخص التالي والتالي وما إلى ذلك، ويمكن للمرء أن يقول أن المقعد الفارغ يتحرك باتجاه حافة الصف، وبمجرد وصول المقعد الفارغ إلى الحافة يمكن للشخص الجديد الجلوس.

• في هذه العملية تحرك الجميع في الصف، حيث إذا كان هؤلاء الأشخاص مشحونين سلبًا مثل الإلكترونات، فإن هذه الحركة ستشكل توصيلًا، وإذا كانت المقاعد نفسها مشحونة بشكل إيجابي، فسيكون المقعد الشاغر فقط إيجابيًا، وهذا نموذج بسيط للغاية لكيفية عمل توصيل الثقب.

بدلاً من تحليل حركة حالة فارغة في نطاق التكافؤ كحركة للعديد من الإلكترونات المنفصلة، يُنظر إلى جسيم وهمي واحد مكافئ يسمى ثقب، ففي مجال كهربائي مطبق تتحرك الإلكترونات في اتجاه واحد بما يتوافق مع تحرك الثقب في الاتجاه الآخر، فإذا ارتبط الثقب بذرة محايدة تفقد تلك الذرة إلكترونًا وتصبح موجبة؛ لذلك يتم أخذ الثقب ليكون له شحنة موجبة (+ e) وهو عكس شحنة الإلكترون بالضبط.

في الواقع نظرًا لمبدأ عدم اليقين لميكانيكا الكم جنبًا إلى جنب مع مستويات الطاقة المتاحة في البلورة لا يمكن تحديد الثقب إلى موضع واحد كما هو موضح في المثال السابق، فبدلاً من ذلك تمتد الشحنة الموجبة التي تمثل الثقب على مساحة في الشبكة البلورية تغطي عدة مئات من خلايا الوحدة، وهذا يعادل عدم القدرة على تحديد الرابطة المكسورة التي تتوافق مع الإلكترون المفقود، وبالمثل يتم تحديد موقع إلكترونات نطاق التوصيل.

الثقب الإلكتروني في تكنولوجيا أشباه الموصلات

في بعض أشباه الموصلات، مثل السيليكون تعتمد الكتلة الفعالة للثقب على اتجاه متباين الخواص، ومع ذلك يمكن استخدام قيمة متوسطة في جميع الاتجاهات لبعض الحسابات العيانية، ففي معظم أشباه الموصلات تكون الكتلة الفعالة للفتحة أكبر بكثير من كتلة الإلكترون.

حيث ينتج عن هذا حركة أقل للثقوب الواقعة تحت تأثير المجال الكهربائي وهذا قد يبطئ من سرعة الجهاز الإلكتروني المصنوع من ذلك أشباه الموصلات، وهذا هو أحد الأسباب الرئيسية لاعتماد الإلكترونات كحاملات شحنة أولية كلما أمكن ذلك في أجهزة أشباه الموصلات بدلاً من الثقوب.

هذا أيضًا هو السبب في أن منطق (NMOS) أسرع من منطق (PMOS و OLED) حيث تم تعديل الشاشات لتقليل الاختلال الناتج عن إعادة التركيب غير الإشعاعي عن طريق إضافة طبقات إضافية أو تقليل كثافة الإلكترون على طبقة بلاستيكية واحدة، بحيث تتوازن الإلكترونات والثقوب بدقة داخل منطقة الانبعاث، ومع ذلك في العديد من أجهزة أشباه الموصلات تلعب كل من الإلكترونات والثقوب دورًا أساسيًا حيث تتضمن الأمثلة الثنائيات (p – n) والترانزستورات ثنائية القطب ومنطق (CMOS).

ثقوب الإلكترون في كيمياء الكم

يستخدم معنى بديل لمصطلح ثقب الإلكترون في الكيمياء الحسابية، ففي طرق الكتلة المزدوجة يتم تفسير الحالة الأرضية أو أقل طاقة للجزيء على أنها حالة الفراغ من الناحية المفاهيمية، وفي هذه الحالة لا توجد إلكترونات، حيث أنه في هذا المخطط يُطلق على غياب الإلكترون من الحالة المملوءة بشكل طبيعي اسم ثقب.

ويتم التعامل معه على أنه جسيم ويسمى ببساطة وجود إلكترون في حالة فارغة وعادةً إلكترون، فهذه المصطلحات مطابقة تقريبًا لتلك المستخدمة في فيزياء الجوامد. إن الديناميكا الكهربية الكمية القياسية (QED) هي التي تعتبر أكثر نظرية الجسيمات شمولاً حيث تتعامل مع الإلكترون كجسيم نقطي إذ لا يوجد دليل على أن ثقب الإلكترون هو ثقب أسود.