اقرأ في هذا المقال
- ما هو الإلكترون والثقب؟
- أزواج ثقب الإلكترون – Electron-Hole Pairs
- إعادة تركيب الإلكترون والثقب – Recombination of Electron and Hole
ما هو الإلكترون والثقب؟
يُعرَّف الإلكترون بأنّه شحنة سالبة أو جسيم ذري ذو قطبية سالبة. تكون الإلكترونات حرة أو متصلة بنواة الذرة. توجد في مستويات الطاقة المختلفة أو نطاق الطاقة لجسيم أو ذرة. تولد حركة الإلكترونات تيارًا كهربائيًا في مادة أشباه الموصلات. تسمى الشحنة الموجودة على الإلكترون بوحدة الشحنة الكهربائية.
عندما يتم توفير الطاقة لأشباه الموصلات، يتم رفع إلكترون التكافؤ إلى مستوى طاقة أعلى، يترك الإلكترون المغادر مكانًا شاغرًا في نطاق التكافؤ. يُعرف هذا الشاغر باسم “ثقب” (Hole). وهكذا، بعبارة أخرى، يمكننا تعريف الثقب على أنّه شاغر متبقي في نطاق التكافؤ بسبب رفع الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل يسمى “الثقب”.
أزواج ثقب الإلكترون – Electron-Hole Pairs:
عندما يتم توفير بعض الطاقة الخارجية في شكل طاقة حرارية لأشباه الموصلات، يتم رفع إلكترونات التكافؤ إلى نطاق التوصيل واحدًا تلو الآخر، تاركًا وراءها فراغًا في نطاق التكافؤ يسمى “الثقب”. يعتمد عدد الإلكترونات المراد رفعها من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل على كمية الطاقة الخارجية التي يتم توفيرها لأشباه الموصلات.
إذا تم رفع إلكترون واحد فقط إلى نطاق التوصيل، فسيتم إنشاء ثقب واحد في نطاق التكافؤ، وبالتالي، في كل مرة يتم تكوين زوج “الثقب – الإلكترون”. الفراغ الناتج عن الإلكترون في نطاق التكافؤ المعروف بالثقب يعمل بمثابة شحنة موجبة. لديه ميل قوي لجذب الإلكترونات من الروابط التساهمية القريبة.
إعادة تركيب الإلكترون والثقب – Recombination of Electron and Hole:
عندما يتم توفير بعض الطاقة الخارجية لأشباه الموصلات، يتم رفع إلكترون نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ويصبح حراً تاركاً وراءه الثقوب الموجودة في نطاق التكافؤ. يكون مدار نطاق التوصيل الذي تتحرك فيه الإلكترونات الحرة أكبر مقارنة بمدار نطاق التكافؤ الذي تتشكل فيه الثقوب.
قد تتقاطع ذرة واحدة من مدار نطاق التوصيل مع ثقب مدار ذرة أخرى. نتيجة لهذا التقاطع، يقع إلكترون نطاق التوصيل في ثقب. يسمّى هذا الدمج بين الإلكترون الحر والثقب “بإعادة تركيب الإلكترون والثقب”. عندما يتم إعادة التركيب، لا يتحرك الثقب في أي مكان، بل يختفي.
تتم عملية إعادة التركيب هذه بشكل مستمر في أشباه الموصلات وتملأ كل حفرة. ومع ذلك، تستمر الطاقة الحرارية الواردة في إنتاج ثقوب جديدة عن طريق رفع إلكترونات التكافؤ إلى نطاق التوصيل لتشكيل زوج “الثقب – الإلكترون”. يتم إنشاء أزواج الثقب – الإلكترون وإعادة تركيبها باستمرار.
يُطلق على متوسط التوقيت بين إنشاء واختفاء زوج ثقب الإلكترون اسم “مدى الحياة” (Lifetime). يختلف العمر من نانوثانية إلى عدة ميكروثانية اعتمادًا على عوامل مختلفة مثل الشكل والحجم والبنية البلورية لمادة أشباه الموصلات.
