空穴

在物理、化学和电子工程中，电子空穴（通常简称为空穴）是一种准粒子，它是在原子或原子晶格中可能存在电子的位置缺少电子。 由于在正常原子或晶格中，电子的负电荷与原子核的正电荷平衡，因此电子的缺失会在空穴位置留下净正电荷。

金属或半导体晶格中的空穴可以像电子一样穿过晶格，并且类似于带正电的粒子。 它们在晶体管、二极管和集成电路等半导体器件的运行中起着重要作用。 如果一个电子被激发到更高的状态，它会在它的旧状态留下一个空穴。 此含义用于俄歇电子能谱（和其他 X 射线技术）、计算化学以及解释晶体（金属、半导体）中的低电子-电子散射率。 尽管它们的行为类似于基本粒子，但空穴实际上并不是粒子，而是准粒子； 它们不同于正电子，正电子是电子的反粒子。 固体仅由三种粒子组成：电子、质子和中子，准粒子不是这些。 （另见狄拉克海。）

在晶体中，电子能带结构计算导致电子的有效质量通常在能带顶部为负。 负质量是一个不直观的概念，在这些情况下，通过考虑具有正质量的正电荷可以找到更熟悉的画面。

在固态物理学中，电子空穴（通常简称为空穴）是全价带中电子的缺失。 空穴本质上是一种概念化电子在晶格几乎全价带内相互作用的方式，晶格缺少一小部分电子。 在某些方面，半导体晶格中空穴的行为类似于一瓶水中的气泡。

价带中的空穴传导可以用以下类比来解释：

想象一下，一排人坐在礼堂里，那里没有多余的椅子。 一排中间有人要走，他从座位靠背跳到另一排，然后走了出去。 空行类比导带，走出去的人类比一个传导电子。

现在想象有其他人过来并想坐下。 空排视野不佳； 所以他不想坐在那里。 取而代之的是，拥挤的一排中的一个人移动到xxx个人留下的空座位上。 空座位向边缘和等待坐下的人靠近了一个位置。 下一个人跟着，下一个，等等。 可以说，空座位移向了这一排的边缘。 一旦空座位到达边缘，新人就可以坐下。

在此过程中，排中的每个人都移动了。 如果那些人带负电（如电子），这种运动将构成传导。 如果座位本身带正电，那么只有空座位带正电。 这是空穴传导如何工作的一个非常简单的模型。

不是将价带中空态的运动分析为许多单独电子的运动，而是考虑称为空穴的单个等效虚粒子。 在施加的电场中，电子沿一个方向移动，对应于另一个方向移动的空穴。 如果一个空穴与一个中性原子结合，那个原子就会失去一个电子并变成正电。 因此，空穴被认为具有 +e 的正电荷，恰好与电子电荷相反。

实际上，由于量子力学的不确定性原理，结合晶体中可用的能级，空穴不能像前面例子中描述的那样定位到单个位置。 相反，代表空穴的正电荷跨越覆盖数百个晶胞的晶格区域。 这相当于无法判断哪个断开的键对应于丢失的电子。 导带电子类似地离域。

上面的类比很简单，无法解释为什么空穴会在霍尔效应和塞贝克效应中产生与电子相反的效应。 更精确和详细的解释如下。

• 色散关系决定了电子如何响应力（通过有效质量的概念）。

色散关系是波矢（k 向量）和带中能量之间的关系，是电子能带结构的一部分。 在量子力学中，电子是波，能量是波的频率。