半导体中的载流子是什么

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。

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。

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），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”。

一、多数载流子和少数载流子

在半导体中，电子和空穴作为载流子。数目较多的载流子称为多数载流子；在N型半导体中多数载流子是电子，而在P型半导体中多数载流子是空穴。数目较少的载流子称为少数载流子；在N型半导体中少数载流子是空穴，而在P型半导体中少数载流子是电子。

少数载流子在双极性晶体管和太阳能电池中起重要作用。不过，此种载流子在场效应管（FET）中的作用是有些复杂的：例如，MOSFET兼有P型和N型。晶体管涉及到源漏区，但这些少数载流子横穿多数载流子体。

不过在传送区内，横穿的载流子比其相反类型载流子的数目多得多（实际上，相反类型的载流子会被外加电场移除而形成耗尽层），因此按惯例为源漏选定的载流子是可采用的，而FET被称为“多数载流子”设备。

当电子遇到空穴时，二者复合后自由载流子就很快消失了。释放的能量可以是热，会加热半导体（热复合，半导体中废热的一个来源），或者释放光子（光复合，用于LED和半导体激光中）。

二、自由载流子浓度

自由载流子浓度是浓度自由载流子在掺杂半导体。它类似于金属中的载流子浓度，并且可以以相同的方式用于计算电流或漂移速度。

自由载流子是通过掺杂直接引入导带（或价带）并且没有被热促进的电子（或空穴）。由于这个原因，电子（空穴）不会通过在另一个能带中留下空穴（电子）来充当双载流子。换句话说，电荷载流子是可以自由移动（携带电荷）的粒子/电子。

以上内容参考 百度百科-载流子

本征半导体中的载流子都是由本征激发所产生的,一般数量不多（随温度而指数函数式增大）. 但是,掺入施主杂质或者受主杂质以后,则杂质可提供大量的电子或者空穴,这就是多数载流子；这时,还是存在少数载流子,那就是本征激发出来的一些载流子.

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[1]）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。

"载流子" 在学术文献中的解释：

1、不论是N型半导体中的自由电子,还是P型半导体中的空穴,它们都参与导电,统称为“载流子”.“载流子”导电是半导体所特有的

2、关于气体导电众所周知,导体之所以容易导电,是因为“导体中存在大量的可以自由移动的带电物质微粒,称为载流子.在外电场的作用下,载流子作定向运动,形成明显的电流”

在半导体中载运电流的带电粒子——电子和空穴,又称自由载流子。在一定温度下,半导体处于热平衡状态,半导体中的导电电子浓度n0和空穴浓度p0都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。

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

式中m0为电子质量,kgmn*为电子有效质量,kgmp*为空穴有效质量,kgk为玻耳兹曼常数,J/KEg为禁带宽度,eVni为本征载流子浓度,cm-3T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

P型半导体中多子浓度pp及少子浓度np分别为

上二式中ND为施主杂质浓度,cm-3NA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。

载流子寿命 life time of carriers

非平衡载流子在复合前的平均生存时间,是非平衡载流子寿命的简称。在热平衡情况下,电子和空穴的产生率等于复合率,两者的浓度维持平衡。在外界条件作用下(例如光照),将产生附加的非平衡载流子,即电子—空穴对外界条件撤消后,由于复合率大于产生率,非平衡载流子将逐渐复合消失掉,最后回复到热平衡态。非平衡载流子浓度随时间的衰减规律一般服从exp(-t/τ)的关系,常数τ表示非平衡载流子在复合前的平均生存时间,称为非平衡载流子寿命。在半导体器件中,由于非平衡少数载流子起主导作用,因此τ常称为非平衡少数载流子寿命,简称少子寿命。τ值范围一般是10-1～103μs。复合过程大致可分为两种:电子在导带和价带之间直接跃迁,引起一对电子—空穴的消失,称为直接复合电子—空穴对也可能通过禁带中的能级(复合中心)进行复合,称为间接复合。每种半导体的r并不是取固定值,将随化学成分和晶体结构的不同而大幅度变化,因此,寿命是一种结构灵敏参数。τ值并不总是越大越好。对于Si单晶棒和晶体管的静态特性来说,希望τ值大些。但是,对于在高频下使用的开关管,却往往需要掺杂(扩散金),以增加金杂质复合中心,降低τ值,提高开关速度。近年来,在电力电子器件生产中,常用电子束辐照代替掺金,降低τ值。在Si和GaAs材料、器件和集成电路生产过程中,τ值是必须经常检测的重要参数。

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