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

N型半导体中多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴。

N型半导体也称电子型半导体，指自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，参杂磷等Ⅴ族元素。

特点：

半导体中有两种载流子，即价带中的空穴和导带中的电子，以电子导电为主的半导体称之为N型半导体，与之相对的，以空穴导电为主的半导体称为 P型半导体。 “N”表示负电的意思，取自英文Negative的第一个字母。

在这类半导体中， N型半导体参与导电的 (即导电载体) 主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的施主。凡掺有施主杂质或施主数量多于受主的半导体都是N型半导体。例如，含有适量五价元素砷、磷、锑等的锗或硅等半导体。

由于N型半导体中正 电荷量与 负电荷量相等，故N型半导体呈电中性。自由电子主要由杂质 原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（ 自由电子）的 浓度就越高，导电性能就越强。

多数载流子与少数载流子

载流子可区分为多数载流子和少数载流子两种。譬如，对于n型半导体，其中的电子就是多数载流子，而空穴是少数载流子。实际上，这不仅是数量多少的差异，而更重要的是它们性质上的不同。例如：

①多数载流子主要由掺杂所提供的，则在室温下，其浓度与温度的关系不大（杂质全电离），而少数载流子主要由本征激发所产生，则随着温度的升高将指数式增加；

②能够注入到半导体中去的载流子，或者能够从半导体中抽出来的载流子，实际上往往是少数载流子，而多数载流子一般是不能注入、也不能抽出的；

③少数载流子能够在局部区域积累或减少，即可形成一定的浓度梯度，而多数载流子在半导体内部难以积累起来，所以多数载流子的浓度一般都不能改变，从而不能形成浓度梯度。也正因为如此，为了维持半导体电中性，所以在注入了少数载流子的同时，也将增加相同数量的多数载流子，并且它们的浓度梯度也相同；

④因为一般只有少数载流子才能注入和抽出，所以半导体中的非平衡载流子一般也就是少数载流子。非平衡少数载流子可由于复合而消失，因此具有一定的寿命时间（从ns到μs），而多数载流子一般就是热平衡载流子，其存在的有效时间也就是所谓介电弛豫时间（非常短，常常可忽略）；

⑤少数载流子在浓度梯度驱动下，将一边扩散、一边复合，有一个有效存在的范围——扩散长度（可达nm数量级），而多数载流子的有效存在范围是所谓Debye屏蔽长度（很短）；

⑥少数载流子主要是扩散运动，输运电荷的能力决定于其浓度梯度，而多数载流子主要是漂移运动，输运能力主要是决定于多数载流子浓度和电场；等等。

（4）少数载流子的作用：

少数载流子虽然数量少，但是它所产生的电流却不一定小，其主要原因就是它们能够产生很大的浓度梯度，从而可输运很大的电流。例如数百安培工作电流的SCR就是少数载流子工作的器件，所有BJT 就都是少数载流子工作的器件。相反，多数载流子工作的器件，其电流倒不一定很大。

少数载流子能够存储（积累），则对于器件的开关速度有很大影响；而多数载流子的电容效应（势垒电容）往往是影响器件最高工作频率的因素。

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