半導體中的載流子

在分析半導體器件中，我們經常聽到一個名詞—載流子。本文對載流子相關的詞匯進行了匯總說明，希望能在半導體器件的原理分析中為大家加強理解。
 
NO.1 什么是載流子，和電子、質子有關嗎？
載流子既不是原子也不是質子。它是在半導體中載運電流的帶電粒子——電子和空穴，又稱自由載流子。在一定溫度下，半導體處于熱平衡狀態，半導體中的導電電子濃度n0和空穴濃度p0都保持一個穩定的數值，這種處于熱平衡狀態下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子。

圖 半導體中的電子與空穴

NO.2多子與少子是什么？
多子與少子是多數載流子與少數載流子的簡稱。在半導體中，電子和空穴作為載流子。數目較多的載流子稱為多數載流子；在N型半導體中多數載流子是電子，而在P型半導體中多數載流子是空穴。數目較少的載流子稱為少數載流子；在N型半導體中少數載流子是空穴，而在P型半導體中少數載流子是電子。

圖 少子與多子

NO.3什么是載流子的壽命
在熱平衡情況下，電子和空穴的產生率等于復合率，兩者的濃度維持平衡。在外界條件作用下（例如光照），將產生附加的非平衡載流子，即電子—空穴對；外界條件撤消后，由于復合率大于產生率，非平衡載流子將逐漸復合消失掉，最后回復到熱平衡態。非平衡載流子濃度隨時間的衰減規律一般服從exp(-t/τ）的關系，常數τ表示非平衡載流子在復合前的平均生存時間，稱為非平衡載流子壽命。在半導體器件中，由于非平衡少數載流子起主導作用，因此τ常稱為非平衡少數載流子壽命，簡稱少子壽命。τ值范圍一般是10-1～103μs。
 
NO.4熱載流子有溫度嗎？
熱載流子不是指載流子的冷熱。而是指比零電場下的載流子具有更高平均動能的載流子。零電場下，載流子通過吸收和發射聲子與晶格交換能量，并與之處于熱平衡狀態，其溫度與晶格溫度相等。在有電場的作用存在時，載流子可以從電場直接獲取能量，而晶格卻不能。晶格只能借助載流子從電場間接獲取能量，就從電場獲取并積累能量又將能量傳遞給晶格的穩定之后，載流子的平均動能將高于晶格的平均動能，自然也高于其本身在零電場下的動能，成為熱載流子。
 
NO.5本征載流子和載流子有什么區別？
本征半導體中的載流子（電子和空穴），即不是由摻雜所產生出來的載流子。也就是說，本征載流子是由熱激發——本征激發所產生出來的，即是價電子從價帶躍遷到導帶而產生出來的；它們是成對產生的，所以電子和空穴的濃度始終相等。
 
NO.6載流子遷移率指的是什么？
遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大；運動得慢，遷移率小。一般是電子的遷移率高于空穴。如室溫下，低摻雜硅材料中，電子的遷移率為1350cm²/（VS），而空穴的遷移率僅為480cm²/(VS)。
 
NO.7什么是本征載流子的濃度
本征載流子的濃度是指在一定的溫度下，電子、空穴對的產生和復合最終處于一種平衡狀態，使半導體中載流子的濃度一定，且電子濃度等于空穴濃度。