半导体内部的载流子有几种运动方式，怎样才能形成电流

半导体内的载流子有三种运动：载流子的扩散运动，载流子的热运动和载流子的漂移运动。（1）热运动在没有任何电场作用时，一定温度下半导体中的自由电子和空穴因热激发所产生的运动是杂乱无障的，好像空气中气体的分子热运动一样。由于是无规则的随机运动，合成后载流子不产生定向位移，从而也不会形成电流。（2）漂移运动在半导体的两端外加一电场E，载流子将会在电场力的作用下产生定向运动。电子载流子逆电场方向运动，而空穴载流子顺着电场方向运动。从而形成了电子电流和空穴电流，它们的电流方向相同。所以，载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动，而漂移运动产生的电流称漂移电流。（3）扩散运动在半导体中，载流子会因浓度梯度产生扩散。如在一块半导体中，一边是N型半导体，另一边是P型半导体，则N型半导体一边的电子浓度高，而P型半导体一边的电子浓度低。反之，空穴载流子是P型半导体一边高，而N型半导体一边低。由于存在载流子浓度梯度而产生的载流子运动称为扩散运动。滴入水中的墨水会快速地向四周扩散，打开药品瓶盖，气味会很快充满整个房间等现象，是现实生活中扩散运动的典型例子，是自然界中的一种普遍规律。由于电子载流子和空穴载流子分别带负电和正电，扩散运动导致正负电荷搬迁，从而形成电流，这种由扩散运动形成的电流称扩散电流。

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

载流子的输运半导体中自由载流子的任何运动都导致电流。这些运动可以由外加电压产生的电场引起，因为载流子是带电粒子。我们称这种输运机制为载流子的漂移。另外，载流子从浓度高的地方流向浓度低的地方。这种载流子的输运机制是由热能和与之相关联的载流子随即的热运动引起的。我们称之为载流子的扩散。总电流为漂移电流和扩散电流的总和。在外加电场的作用下，载流子做加速运动，并且由于与电离杂质碰撞和晶格振动散射最终达到一个恒定的速度v。速度和电场的比值称为迁移率。在高电场作用下速度达到饱和速度。另外，载流子在流过半导体表面时发生附加的散射，由于半导体表面或界面的散射机制使迁移率降低。载流子的扩散是通过形成载流子的浓度梯度产生的。浓度梯度可以通过变化的参杂浓度或者温度梯度形成。由于受相同的微粒和散射机制影响，两种输运机制是相关的。这种恒定的迁移率和扩散系数之间的关系成为爱因斯坦关系。

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