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载流子

名词解释
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、负离子,放电气体中的离子等。

推算公式/载流子

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

载流子

式中m0为电子质量,kg;mn*为电子有效质量,kg; mp*为空穴有效质量,kg;k为玻耳兹曼常数,J/K;Eg为禁带宽度,eV;ni为本征载流子浓度,cm-3;T为绝对温度,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nn及少子浓度pn分别为

载流子

P型半导体中多子浓度pp及少子浓度np分别为

载流子

上二式中ND为施主杂质浓度,cm-3;NA为受主杂质浓度,cm-3。

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

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。另外还有正离子、负离子也都带有电荷,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。

载流子

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。如果给它加入砷(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”。

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