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

多数载流子和少数载流子决定了半导体材料的导电性质和电学特性。

半导体材料中的载流子可以分为两种类型：多数载流子和少数载流子。多数载流子是指在半导体中数目占绝大多数的载流子，例如在N型半导体中为自由电子，在P型半导体中为空穴。而少数载流子则是指占少数的载流子，在N型半导体中为空穴，在P型半导体中为自由电子。

由于多数载流子在半导体中数目占绝大多数，因此其运动对半导体材料的导电性质和电学特性起主导作用。例如，在N型半导体中，自由电子的数量远大于空穴的数量，因此它具有良好的电导性质，且易于被掺杂成P型半导体。而在P型半导体中，空穴的数量远大于自由电子的数量，因此它具有良好的电导性质，且易于被掺杂成N型半导体。

少数载流子虽然数目较少，但在半导体器件的工作中也起着重要作用，例如在PN结中的空间电荷区域，少数载流子的扩散和漂移会导致PN结的电特性发生变化，影响整个器件的性能。因此，对于半导体器件的设计和优化，需要充分考虑多数载流子和少数载流子的作用和影响。

另外，多数载流子和少数载流子也影响着半导体材料的光学特性。在光电器件中，例如光电二极管和太阳能电池，光子在半导体中的能量可以被吸收并激发出少数载流子，这些少数载流子的移动和扩散可以产生电流或电压信号。因此，在光电器件的设计中，需要选择适合的半导体材料，以保证光子的能量可以被有效地吸收并产生足够的载流子。

此外，半导体材料中的多数载流子和少数载流子也对热学特性和机械特性等方面产生影响。因此，在半导体材料的研究和应用中，需要综合考虑多种载流子的作用和相互影响。

半导体材料的多数载流子和少数载流子还对半导体器件的速度、功耗、噪声、稳定性等性能参数产生影响。例如，在晶体管等高频器件中，多数载流子的迁移速度和响应速度对器件的工作速度和频率响应有重要影响。少数载流子的影响则主要体现在器件的噪声和稳定性方面，因为少数载流子的扩散和漂移可以引起器件的随机噪声，并对器件的工作温度和环境变化等因素产生敏感性。

在半导体器件的设计和优化中，需要通过控制多数载流子和少数载流子的浓度、迁移率和寿命等参数，以实现所需的电学、光学、热学和机械性能。例如，通过掺杂控制和结构设计，可以改变半导体材料中多数载流子和少数载流子的分布和性质，从而实现对半导体器件的性能调节和优化。此外，还可以利用半导体材料的表面和界面特性，通过修饰和功能化等方法，改变多数载流子和少数载流子的表面浓度和分布，实现对器件性能的调控和优化。

总之，多数载流子和少数载流子是半导体材料的重要组成部分，它们决定了半导体材料的电学、光学、热学和机械性能，对半导体器件的设计、制造和应用产生了深刻的影响。

载流子就是带有电荷、并可运动而输运电流的粒子，包括电子、离子等。半导体中的载流子有两种，即带负电的自由电子和带正电的自由空穴。实际上，空穴也就半导体中的价键空位，一个空位的运动就相当于一大群价电子的运动；只不过采用数量较少的空穴这个概念来描述数量很多的价电子的运动要方便得多。所以，从本质上来说，空穴只是一大群价电子的另一种表述而已。

载流子所处的能量状态

从晶体能带的角度来看，半导体的能量最高的几个能带分别是导带和价带，导带与价带之间隔着一个禁带。禁带中不具有公有化运动的状态——能级，但可存在杂质、缺陷等束缚能级。自由电子（简称为电子）就处于导带中，一般是在导带底附近（导带底就相当于电子的势能）；自由空穴（简称为空穴）就处于价带中，一般是在价带顶附近（价带顶就相当于空穴的势能）。价带中有大量的价电子，由于这些价电子是被价键束缚住的，不能自由运动，所以不把它们看成为载流子。

如果n型半导体中掺入的施主浓度不太高，那么导带中的电子浓度也较低，这时电子在导带底附近能级上的分布就遵从经典的Boltzmann分布，这时就称这些电子是非简并载流子，半导体也就是非简并半导体；相反，若掺杂浓度很高，则大量电子在导带底附近能级上的分布就需要考虑泡里不相容原理的限制，这时电子就遵从量子的Fermi-Dirac分布，这时就称这些电子是简并载流子，半导体也就是简并半导体。不过，应该注意，即使半导体是非简并的n型半导体，但价带中的电子由于是大量的价电子，所以它们始终是属于简并的载流子，总是遵从量子的Fermi-Dirac分布。

空穴就是由价带中的价电子跃迁到了导带之后所形成的（即留下的价键空位）；这种跃迁就称为本征激发，其特点是电子与空穴成对地产生。

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