Trou d'électron

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En physique du solide, un trou d'électron (habituellement appelé tout simplement trou) est l'absence d'un électron dans la bande de valence, qui serait normalement remplie sans le trou. Une bande de valence remplie (ou presque remplie) est une caractéristique des isolants et des semi-conducteurs. Le concept de trou est essentiellemnt une façon simple d'analyser le mouvement d'un grand nombre d'électrons en traitant cette absence d'électron comme une quasi-particule.

Concept instinctif

La conduction d'électricité via les trous peut être expliquée par l'analogie suivante. Imaginez une rangée de personne assises dans un auditorium, où il n'y a pas de chaise libre. Quelqu'un dans le milieu de la rangée veut partir, il saute donc par dessus sa chaise vers une rangée vide et peut ainsi partir. La rangée vide est analogue à la bande de conduction et la personne qui marche est analogue à un électron libre.

Imaginez maintenant que quelqu'un d'autre arrive et veut s'asseoir dans la rangée qui contient un siège vide. Comme il ne peut pas accèder directement au siège vide, les personnes assises dans la rangée changent de siège pour lui permettre de s'asseoir. La personne à côté du siège vide s'assied dedans, laissant son propre siège vide. Son voisin fait de même, et l'autre aussi, et cetera. Lorsque le siège sur le bord de la rangée est vide, le nouvel arrivant peut s'asseoir.

On peut voir cela comme un processus où tout le monde s'est déplacé, ou de façon équivalente, comme si le siège vide s'était déplacé. Si ces personnes étaient chargées --comme des électrons-- ce mouvement constituerait de la conduction électrique. C'est ainsi que la conduction d'électricité à l'aide de trous fonctionne.

La charge électrique d'un trou

À la place d'analyser le mouvement d'un état vide dans la bande de valence comme le mouvement de milliards d'électrons, les physiciens proposent une particule imaginaire (quasi-particule) appelée trou. Lorsqu'on applique un champ électrique, tous les électrons bougent dans une direction, faisant en sorte que les trous bougent dans la direction opposée. Les physiciens stipulent donc que le trou doit avoir une charge positive. En fait, on assigne aux trous une charge +e, exactement l'opposé de la charge d'un électron.

La masse effective d'un trou

En utilisant la loi de Coulomb, on peut calculer la force exercée sur le trou par le champ électrique. Les physiciens proposent donc une masse effective qui relie la force exercée sur le trou à l'accélération de ce trou. Dans certains semi-conducteurs, tel que le silicium, la masse effective est dépendante de la direction de propagation du trou (anisotropie). Toutefois, on peut obtenir une valeur moyennée sur toutes les directions afin de faire des calculs macroscopiques.