W fizycznych stanu stałego An otwór elektronów (zwykle nazywany po prostu otworu ) jest brak w elektrony w paśmie walencyjnym , które zwykle wypełnione bez otworu. Wypełnione (lub prawie wypełnione) pasmo walencyjne jest charakterystyczne dla izolatorów i półprzewodników. Pojęcie dziury jest zasadniczo prostym sposobem analizy ruchu dużej liczby elektronów poprzez traktowanie tego braku elektronów jako quasi-cząstki .
Dziury powstają w wyniku interakcji elektronów z siecią krystaliczną . Podobnie jak wszystkie inne cząstki, elektrony również zachowują się falami . Odpowiada długości fali jest rzędu wielkości od odległości między atomami, które składają się w krysztale, i zmniejsza się w miarę energii wzrasta elektronów.
Elektrony na dole pasma mają niską energię i związaną z nimi dużą długość fali w porównaniu z odstępami między atomami. Ich oddziaływanie z siecią krystaliczną jest słabe i zachowują się prawie jak swobodne elektrony. Elektrony w górnej części pasma mają większą energię, mniejszą związaną z nimi długość fali i silniejszą interakcję z siecią. Za każdym razem, gdy elektron przechodzi w pobliżu atomu, doświadcza opóźnienia fazowego, które zależy od długości fali i odległości między atomami. To opóźnienie fazowe powoduje zmniejszenie prędkości, które jest tym większe, im bliżej górnej krawędzi paska znajduje się elektron.
Zatem elektrony na dole pasma zachowują się jak prawie wolne cząstki, a ich prędkość rośnie wraz ze wzrostem ich energii. Cała ich energia jest prawie energią kinetyczną. Z drugiej strony, gdy energia elektronu w pobliżu górnej krawędzi paska wzrasta, jego prędkość maleje. Na przykład, jeśli zastosujemy pole elektryczne, które powinno zwiększyć prędkość na prawo od swobodnego elektronu, to samo pole zmniejszy prędkość na prawo od elektronu znajdującego się w górnej części pasma. Jest to równoważne przyspieszeniu w lewo wolnej cząstki o ładunku dodatnim. Zatem zamiast pracować z elektronami, które mają „dziwaczne” zachowanie, wolimy pracować z wyimaginowanymi cząstkami, które mają „normalne” zachowanie się cząstek swobodnych: to są dziury.
Przewodzenie energii elektrycznej przez otwory można wyjaśnić za pomocą następującej analogii, chociaż ta analogia ma swoje ograniczenia (patrz strona dyskusyjna ). Wyobraź sobie rząd ludzi siedzących w audytorium, w którym nie ma wolnego krzesła. Ktoś w środku rzędu chce wyjść, więc przeskakuje przez swoje krzesło do pustego rzędu i może wyjść. Pusty rząd jest analogiczny do pasma przewodnictwa, a osoba idąca jest analogiczna do swobodnego elektronu.
Teraz wyobraź sobie, że ktoś inny wchodzi i chce usiąść w rzędzie, w którym jest wolne miejsce. Ponieważ nie ma bezpośredniego dostępu do pustego miejsca, ludzie w rzędzie zmieniają miejsca, aby mógł usiąść. Osoba obok pustego miejsca siada na nim, pozostawiając własne puste miejsce. Jego sąsiad robi to samo i tak dalej. Gdy miejsce na skraju rzędu jest puste, nowicjusz może usiąść.
Możesz to postrzegać jako proces, w którym wszyscy się przenieśli, lub równoważnie, tak jakby przesunęło się puste miejsce. Gdyby ci ludzie byli naładowani - podobnie jak elektrony - ten ruch stanowiłby przewodnictwo elektryczne. Z tym procesem związane jest przewodzenie energii elektrycznej przez dziury.
Zamiast analizować ruch stanu pustego w paśmie walencyjnym jako ruch miliardów elektronów, fizycy wymyślają wyimaginowaną cząstkę ( quasi-cząstkę ) zwaną dziurą . Kiedy przyłożone jest pole elektryczne , wszystkie elektrony poruszają się w jednym kierunku, powodując ruch otworów w przeciwnym kierunku. Dlatego fizycy twierdzą, że dziura musi mieć ładunek dodatni . W rzeczywistości do dziur przypisujemy ładunek + e, dokładnie odwrotny do ładunku elektronu.
Korzystając z prawa Coulomba , możemy obliczyć siłę wywieraną na otwór przez pole elektryczne. Dlatego fizycy proponują masę efektywną, która wiąże siłę wywieraną na otwór z przyspieszeniem tego otworu. W niektórych półprzewodnikach, takich jak krzem , efektywna masa jest zależna od kierunku propagacji otworu ( anizotropia ). Można jednak uzyskać średnią wartość we wszystkich kierunkach, aby wykonać obliczenia makroskopowe .