论半导体“空穴”导电的真正本质

Jacktang

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       “在半导体 中，只有电子能导电”这句话对吗?大部分稍具半导体常识的人都会认为这句话是错 的。其依据是 ：在半导体中同时存在二种载流子 ，自由电子与空穴 ，半导体在外电场的作用下 ，一 方面带负电的 自由电子定向移动形成电子电流 ，另一方面带正电的空穴也会定向移动形成空穴 电流。半导体中流过 的总电流是这两个 电流之和。半导体的这种导电特性也是半导体与金属导电特性上最本质的区别。
       在《电子技术》的相关书籍 中，有关半导体导电方面的论述确实如上所述。事实果真如此吗?详细的分析能够说 明，在半导体中，确实只有 电子能够导电 ，以上的问题 ：“在半导体中，只有电子能导电”这句话严格来说是对的。
         首先我们来看一看空穴的定义 ，在半导体的共价键结构中，应该有价电子而实际上并无价电子的地方我们称之为空穴。实质上空穴就是空位 ，是现实生活中“没有”或“无”的意思 。空穴是在以下二种情况下形成的 ：一是本征激发 ，是由于半 导体本身的温度不是绝对零度 ，半导体中的某些价 电子能够 获得足够的能量而摆脱共价键对其的束缚而从共价键结构中跑出来变成 自由电子 ；二是在半导体中掺人三价的杂质元素时 ，由于杂质元素与周 围半导体元素在形成共价键结构时需要最外层提供 四个电子 ，但三价的杂质元素只能提供 三个 电子 ，缺少一个电子 ，在半导体的共价键结构 中便形成了一个空位 ，从而形成了空穴。当在半导体材料的两端外加电场时，一方面半导体内的自由电子在外电场的作用下将会产生定向移动 ，从而形成 电子 电流。
         这是毫无疑问的。另一方面在外电场的作用下半导体中价电子也会从原来 的位置跑出来成为 自由电子在外 电场的作用下定 向移动后又进入到另外的一个空位再次成 为价电子 ，形成了一个不是由原半导体中的自由电子所形成的一个 电子电流。这个 电流我们
暂称为“价 电流 ”(价 电流并非是价 电子的移 动形成 ，而是价电子成为 自由电子后 ，定 向移动 ，移动一定距离后又变成价电子的这个电子的移动所产生的电流)“价电流 “实际上也是电子 电流 ，只不过不是我们通常认 为的半导体内部已存 在的哪些 自由电子所形成 的罢了。半导体 中流过 的总电流实际上是电子电流与“价电子”电流共同移动所形成的电流 ，所以 ，我们能下结论 ：在半导体内部只能是电子能导电。这便是半导体内部导电的事实 。
       那么，为何现行的《电子技术》的书籍 中都会 出现空穴带 正电 ，空穴的定 向移动形成空穴 电流这一说法呢?实际上从另一 个角度看“价 电子”的定向移动在半导体内部相 当于这空穴在向与“价电子”移动方向相反的方 向移动，为了便于理解 ，《电子技术》书上都是将半导体中“价电子 ”的移动看成是空穴在移动 ，价电子 的移 动方 向与空穴的移动方向相反 ，由于价电子是带负电的，我们就认为空穴带正电的。半导体 中流过 的总电流我们认为上是带负电的自由电子移动所形成的电子 电流与带正 电的空穴移动所形成的空穴 电流之和 ，这便是我们从《电子技术》教科书上所看到的半导体 内部导 电的描述。
        这就好比在戏院看戏 ，设戏院共有二十排座位 ，假设每排只有一 个座位 ，从第2排起到第二十排都坐满了人 ，只有第1排无人坐，戏开演后 ，第2排上的观众看见第一排位置无人坐，就从第二排坐到第1排上去，第二排就 出现了空位 ，第3排上的观众又坐到第二排去 ，依次类推，原来第1排是空位子 ，后来第2排是空位子，再后来第3排是空位子，最后的空位置出现在第二十排 ，空位置从第一排到了第二十排，是观众的移动造成的 ，位子并不会移动。
从另一方面来看 ，要有带 电粒子的定向移动才能形成 电流，空穴实质上是 空位子 ，是现实生活中“没有”或 “无”的意思 ，它是一 个不存在的东西，它谈不上带电，谈不上移动，它能移动还能形成电流更是一个无稽之谈。
       现在我们终于可以下结论 ：“在半导体中，只有 电子能导电”这句话确确实实是正确的。之所以有人认为其是错误的，是因为他只是从书上看到了其表层的述叙，而没有领会半导体导电的真正本质。