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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / alt / sci / physics / newtheo / 2596 < prev    next >
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Text File  |  1992-12-23  |  6.6 KB  |  144 lines
  1. Newsgroups: alt.sci.physics.new-theories
  2. Path: sparky!uunet!seas.smu.edu!mustafa
  3. From: mustafa@seas.smu.edu (Mustafa Kocaturk)
  4. Subject: Re: The Theories are Full of Holes
  5. Message-ID: <1992Dec23.201040.8769@seas.smu.edu>
  6. Summary: Electron holes exist in semiconductors
  7. Keywords: electrons, holes, resistance, superconductors
  8. Sender: news@seas.smu.edu (USENET News System)
  9. Nntp-Posting-Host: turbo_f.seas.smu.edu
  10. Cc: mustafa
  11. Organization: SMU - School of Engineering & Applied Science - Dallas
  12. References: <BzK6I4.CuM@csn.org>
  13. Date: Wed, 23 Dec 1992 20:10:40 GMT
  14. Lines: 128
  15.  
  16. In article <BzK6I4.CuM@csn.org> et@teal.csn.org (Eric H. Taylor) writes:
  17. >                    THE THEORIES ARE FULL OF HOLES
  18. >                                or
  19. >                  IS RESISTIVE HEATING A GAS EFFECT?
  20. >
  21. >It is common knowledge that an electric current thru a resistor causes heating.
  22. >But why?
  23. >Consider: most currents are cause by increased pressure. Normally, we cause
  24. >a current by "pushing" the electrons thru a conductor. Since electrons are
  25. >a gas, like with any gas, as pressure is increased, so does temperature
  26. >increase. The usual explanation of resistive heating is that collisions
  27. >of electrons with nuclei increases the temperature due to friction. I claim
  28. >instead that the temperature rise is due to increasing the pressure of the
  29. >electron gas, and the conductor is heated via a thermal heat transfer.
  30.  
  31.   Would this line of reasoning not entail that a charged capacitor
  32.   should be hotter than a resistor that is used to discharge it ? :-)
  33.  
  34. >
  35. >This concept gets very interesting when you consider the effect of running
  36. >an electron hole current thru a conductor. An electron hole is the
  37. >absence (instead of presence) of an electron. The electrical properties of
  38. >a hole are identical to electrons, except that they "move" positive charge
  39. >instead of negative charge. Realizing that a hole current would represent
  40. >a decreased pressure, the temperature of the electrons would decrease.
  41. >Again, as thermal transfer, the temperature of the conductor would also
  42. >decrease.
  43.  
  44.   Holes have an equivalent mass and momentum.  In their interactions with
  45.   the crystal lattice, their momenta can be partly transferred
  46.   to the crystal lattice, giving off energy in the form of heat
  47.   (indirect semiconductors as in ordinary diodes), or they can transfer
  48.   all their momenta to the lattice structure in one shot, with photons
  49.   being released (direct semiconductors as in light-emitting diodes).
  50.   It would be too bold to assert that no heat is generated
  51.   in practical LED's, that would mean that 100% of the energy, VxI,
  52.   of an LED is converted to light.  The actual quantum efficiency
  53.   of an LED is much less.
  54.  
  55.   I would prefer not to speak about holes in metals,
  56.   but about an electron gas, since metals have no energy gap.
  57.  
  58.   The pressure analogy for resistive heat is more appropriate in an
  59.   electrostatic context rather than an electrodynamic one, and it is
  60.   far from being semantically sound.  Forcing
  61.   current through a conductor is work done against friction.
  62.   Injecting holes in the same direction as electrons would
  63.   tend to reduce the current, thus reducing the heat dissipated in
  64.   the resistor.  Injecting holes opposite the flow of electrons
  65.   would assist the total current.  The total charge in the conductor
  66.   cannot rise beyond CxV, therefore, in the long run, as many
  67.   electrons are removed from the conductor as are pumped into it.
  68.   
  69.   A temperature drop would occur in an electronic heat pump using
  70.   thermocouples or semiconductor junctions.  Still, that would require
  71.   spending extra energy somewhere else such that the total entropy
  72.   of the system is not reduced.
  73.  
  74. >So the primary questions are how should we modify the basic electrical
  75. >calculations of voltage and resistive effects under conditions of large
  76. >hole currents?
  77.  
  78.   There is no need for such a modification, because a hole current is
  79.   mainly an equivalent flow of valence electrons in the opposite
  80.   direction.  This means that the electrons will still be in motion,
  81.   exchanging energy with the crystal lattice, but at a different
  82.   quantum band of levels.
  83.  
  84. >
  85. >For example, heat transfer is given as I^2*R. Should this be rewritten
  86. >to be (In - Ip)^2*R? [Where In is the electron current, and Ip is the
  87. >hole current] Would the total current be |In| + |Ip|? If a large hole
  88. >current was run thru an incandescent light bulb, how would the spectrum
  89. >change?
  90.  
  91.   In an incandescent lamp, the charge carriers are electrons (or positrons,
  92.   in an anti-matter world).  What sense does it make to speak of
  93.   holes or anti-holes in metals, when everybody knows that in a *metal*
  94.   at that temperature, no energy gap exists between the valence band
  95.   nd the conduction band of electron quantum states?  The term "hole"
  96.   attains most of its significance in the study of semiconductors,
  97.   which have a nonzero energy gap.
  98.  
  99. >
  100. >Can you design electrical circuits that would amplify holes preferentially
  101. >over electrons? Or how about a circuit that discriminates (and separates)
  102. >hole currents from electron currents? In other words, how would you design
  103. >an experiment to test the above equation (In - Ip)^2*R?
  104. >
  105.  
  106.   This equation can be tested inside semiconductors. Actually,
  107.   In and Ip are proportional to their respective charge carrier
  108.   densities and mobilities, and by convention, we add them rather
  109.   than subtract, that is, the total current I=Ip+In, and
  110.   this does not contradict the fact that the *particle* flow of
  111.   electrons is opposite the electric field vector, whereas that of
  112.   holes is in the same direction with it.
  113.  
  114.   As to amplifying currents of one kind only, it is done by selecting
  115.   the type of semiconductor to use as the amplifying device.  In an
  116.   NMOS enhancement FET, for example, electrons are amplified, whereas,
  117.   in a PMOS enhancement FET, holes are.
  118.   
  119.   The impact of this choice on the final result
  120.   is in terms of speed, power, fan-out, and technical complexity.
  121.   Rarely do we need to know what type of carrier is amplified
  122.   when we are using a computer that consists mainly of CMOS LSI's.
  123.  
  124. >High temperature superconductors are ceramic semi-conductors at normal
  125. >temperatures. Does anyone have data on electron and hole mobilities in
  126. >various high temperature superconductors, both at room temperature, and
  127. >at superconductive temperatures?
  128. >
  129. >----
  130. > ET   "A Force of Nature"
  131. >----
  132.  
  133. I, too, am interested in the quantum electrodynamics of superconductors.
  134.  
  135. Yours respectfully,
  136.  
  137. Mustafa
  138.  
  139. -- 
  140. Mustafa Kocaturk   mustafa@seas.smu.edu  EE Dept., Room 305A, Caruth Bldg.
  141. Home: 214-706-5954  Office: 214-768-1475  SMU Box 753190, Dallas, TX 75275
  142.     (-: No wonder why high-voltage lines are said to be "hot" :-)
  143.  
  144.