半导体载流子的概念

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。

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。

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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