释词:电流载体,称载流子。在物理学中,载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如 电子 和离子。在半导体物理学中,电子流失导致 共价键 上留下的空位( 空穴 引)被视为载流子。金属中为电子,半导体中有两种载流子即电子和空穴。在 电场 作用下能作定向运动的 带电粒子 。如半 导体 中的自由电子与空穴,导体中的自由电子, 电解液 中的正、 阴离子 ,放电气体中的离子等。
推算公式
在本征半导体中只发生热激发时,电子数目等于空穴数目,这时 热平衡 载流子浓度为
式中 为 电子 质量,kg; *为电子 有效质量 ,kg; *为 空穴 有效质量,kg;k为 路德维希·玻尔兹曼 常数 ,J/K; 为禁带宽度,eV;ni为本征载流子浓度, ;T为 开尔文 ,K。
对于 杂质半导体 ,N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴称为多数载流子(简称多子),而N型半导体中的空穴和P型半导体中的电子称为少数载流子(简称少子)。在强 电离 的情况下,N型半导体中多子浓度 及少子浓度 分别为
P型半导体中多子浓度 及少子浓度 分别为
上二式中 为施主杂质浓度, ;NA为受主杂质浓度, 。
如果对半导体施加外界作用(如用光的或电的方法),破坏了 热平衡 条件,使半导体处于与热平衡状态相偏离的状态,则称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体,其载流子比平衡状态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。在N型半导体中,把非平衡电子称为非平衡多数载流子,非平衡 空穴 称为非平衡少数载流子。对P型半导体则相反。在 半导体器件 中,非平衡少数载流子往往起着重要的作用。
载流子与半导体的关系
载流子,是承载电荷的、能够自由移动以形成电流的物质粒子。半 导体 的性质跟导体和 绝缘体 不同,是因为其 能带结构 不同;而半导体的导电能力可以控制,主要是因为其载流子的种类和数量与导体和绝缘体不同,并且可以受到控制,其调节手段就是“掺杂”,即往纯净的半导体中掺入杂质,来改变其载流子数量、分布和运动趋势,从而改变整体导电性能。
绝缘体和金属 导体 的载流子是 电子 ,而半导体除了电子外,还有一种载流子叫 空穴 。另外还有 阳离子 、 阴离子 也都带有电荷,但是在半导体中,它们一般不会流动,所以认为半导体的载流子就是电子和空穴这两种。
电子作为载流子容易理解,因为物质中的 原子 是由 原子核 和电子组成的,在一定条件下挣脱原子核束缚的自由电子可以运动,因而产生电流。而所谓空穴,就是由于电子的缺失而留下的空位。这就好像车与车位的关系,假设有一排共5个车位,从左边开始按顺序停了4辆车,最右边有1个空位,如果最左边的车开到最右边的空位上去,那么最左边的车位就空出来了。看起来好像是空位从右边到了左边,这是一种相对运动,车从左到右的移动,相当于空位从右到左的移动。同样道理,带负电的 电子 的运动,可看作是带正电的 空穴 的反方向运动。在没有杂质的纯净半导体中,受热激发产生的移动的电子数量和空穴数量是 相等 的,因为带负电的电子和带正电的空穴会进行复合,在数量大致相等的情况下,“产生”和“复合”会达到一个 动态平衡 ,这样宏观上看来并没有产生有效电流。为了改善其导电性能,就引入了掺杂手段。
对 集成电路 来说,最重要的 半导体材料 是硅。硅 原子 有4个 价电子 ,它们位于以 原子核 为中心的四面体的4个顶角上。这些价电子会与其他硅原子的价电子结合成 共价键 ,大量的硅原子以这种方式互相结合,形成结构规律的 晶体 。如果给它加入 (或磷),砷最外层有5个 电子 ,其中4个电子也会跟硅原子的4个价电子结合成共价键,把砷原子固定在硅材料的晶格中。此时会多出1个自由电子,这个电子跃迁至 导带 所需的能量较低,容易在硅晶格中移动,从而产生电流。这种掺入了能提供多余电子的杂质而获得导电能力的半导体称为N型半导体,“N”为Negative,代表带负电荷的意思。如果我们在纯硅中掺入硼(B),如下图,因为硼的 价电子 只有3个,要跟硅 原子 的4个价电子结
合成 共价键 ,就需要吸引另外的1个 电子 过来,这样就会形成一个 空穴 ,作为额外引入的载流子,提供导电能力。这种掺入可提供空穴的杂质后的半导体,叫做P型半导体,“P”是Positive,代表带来正电荷的意思。
需要注意的是,掺入杂质后的半导体中仍然同时具有电子和空穴这两种载流子,只是各自数量不同。在N型半导体中,电子(带负电荷)居多,叫多数载流子,空穴(带正电荷)叫少数载流子。在P型半导体中,则反之:空穴为多数载流子,电子为少数载流子;可以分别简称为“多子”、“少子”。