[科普中国]-空穴导电

所谓空穴是处于价带的电子在移动的过程中表现的像一个正电荷一样，所以就起了个名字叫空穴。空穴就是处于价带的电子。而空穴导电就是在表面看起来像是这个空穴在移动从而形成了电流的一种过程。

简介共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴。晶体中原子外层一个萝卜一个坑，跑掉了一个自由电子自然就会留下一个坑，这个坑就是所谓的空穴。这些空穴也不是恒定不变的，它可以被其他的价电子填补，也就是还处在价带中的那些电子可以在各个坑之间跳槽。所以说，价带中的电子也是可以导电的，但是和自由电子有很多不同，因为他们并不是自由流动的，只能在各坑之间转移。因为坑少电子多，价电子导电的时候谁也不知道是哪个电子在动，所以我们通常认为是坑在动，由于坑和电子运动方向相反，所以我们说它带正电，这就是所谓空穴导电的来由。

缘起在关于半导体的教学中，不论高中物理或大学物理，都涉及空穴导电一般的解释是，由于在四价的硅或锗晶体中掺进了三价的铟或镓原子，这些原子和硅或锗的原子的化合键中就缺少了一个电子，这个缺位叫空穴，这样的材料叫P型半导体。在外电场中，P型半导体中的电子会逆电场方向依次填补空穴，同时空穴也就沿电场方向移动。空穴就可以被认为是带正电的粒子，以它的运动取代电子的运行来解释P型半导体中电流的形成。1

导电机理空穴和电子导电的情况都是掺入杂质原子来做到的，其中掺入3价原子会导致3价原子与4价原子形成3个共价键，但我们都知道，硅原子（4价）要形成4个共价键才能达到稳定，因此会在周围环境夺取电子，从而形成正电荷净余，这就是空穴啦，而空穴处由于有净余的正电荷，因此会吸引周围其他的电子过来，这样电子在半导体中运动就容易多了，我们可以发现，空穴导电看似是净余正电荷吸引其他电子而将正电荷转移，其实事实上仍是电子导电，移动的空穴只是正电荷等效，由于3价原子掺杂不如5价原子带来的电子多，因此空穴导电比电子导电要困难一些。

N型半导体的多数载流子是电子，P型半导体的多数载流子是空穴。当大量自由电子在这些空穴定向运动时，就等效为正的质子沿电子反向流动，从而形成电流，即为空穴导电。P型半导体导电就是这个含义，N型半导体基本相反。半导体导电的电流计算与金属导电不同，半导体导电一般为电子和空穴同为导电粒子，而且形成的电流方向相同，应该把电子形成的电流与空穴电流相加才是实际电流。

应用解释P型半导体的霍尔效应用空穴概念甚至可以解释P型半导体的霍尔效应。如图所示：

一块通有电流的P型半导体置于磁场中，其中的空穴沿电流方向运动受磁场力方向向上，因而会在上缘集聚，使上缘带正电，同时下缘就带了负电。上缘电势就高于下缘电势，这解释完全符合实验结果，说明空穴概念是正确的。1

空穴导电材料准固态和固态DSSC中常采用空穴导电材料(HTM)，也就是P型半导体材料。理论上，所有HTM，都能从染料阳离子中得到空穴，可作为DSSC替代液体电解质的候选材料。在DSSC应用中，HTM有如下要求：D当染料分子向氧化钛往人电子后，P型半导体材料可转移氧化染料产生的空穴。也就是说，P型半导体材料的价带顶要处于染料基态能级之上； 要求P型半导体材料能够沉积在多孔纳米颗粒层内；采用合适的方法沉积P型半导体材料的过程中，不会对吸附在氧化钛纳米颗粒的单层染料产生溶解或者降解过程；D要求这种P型半导体材料在可见光谱范围透光，或者即使产生吸光，它必须具有染料的有效电子注人能力。2

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学