发布网友 发布时间:2022-04-21 19:28
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热心网友 时间:2023-06-25 23:02
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
热心网友 时间:2023-06-25 23:02
半导体载流子即半导体中的电流载体。