物理百科知识点-本征载流子浓度讲解

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载流子浓度

载流子

电流载体，称载流子。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。

半导体器件基础

思路：电路 二极管、三极管(集成运放) PN结 半导体 所以先从半导体入手。

1.1半导体基本知识

一、本征半导体：

指纯净的半导体 物质按导电能力分为三种： 导体：金、银、铜、铁、铝 半导体：硅、锗、一些硫化物、氧化物、硒、砷化镓绝缘体：纸、瓷、塑料 导体在常温下也能导电，绝缘体受热也不能导电，而半导体的导电能力在常温下较差，但会 ①受温度的影响很大(受外界光和热的刺激，便释放价电子，从而使导电能力发生显著的变化); ②掺杂后导电能力增加。 为什么?为理解起见，需要先了解一下半导体的结构(与能带分布情况)。

载流子浓度

1.电子：

在近代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，两者都是四价元素。以硅为例，它的原子结构中最外层轨道上有四个价电子(外层电子受原子核的束缚力最小称为价电子)，物质的化学性质是由最外层的价电子数决定的，导电能力也与价电子有关，因此价电子是我们研究的对象。 原子结构图 简化模型 代表原子核和内层电子所具有的电荷。在硅的单晶体结构中，即纯净的半导体称本征半导体中，原子在空间排列成很有规律的空间点阵(见左图)，两个硅原子之间形成共价键，价电子没有能力脱离共价键的束缚，此时(指绝对零度和无外界激发时)因晶体中无自由电子半导体不导电。受热时(室温下)少数价电子受热激发获得足够热量而脱离共价键的束缚成为自由电子(自由电子是挣脱了共价键的束缚始终在导带内运动)，自由电子在电场作用下会定向移动，形成的电流称漂移电流。由于自由电子存在引起的导电性称为半导体的电子导电性。

2.空穴：

另一方面，共价键中失去电子留下一个空位，称“空穴”。当出现空穴时，相邻原子的价电子在外加电场或其它能源的作用下较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，以此类推，半导体中出现了价电子填补空穴的运动，相当于带正电荷的空穴做与价电子运动相反方向的运动，称空穴运动，认为空穴是一种带正电荷的载流子。在电场的作用下，填补空穴的价电子做定向移动也形成漂移电流，这是半导体所特有的空穴导电性。 (为什么要引入“空穴”的理解：当空位越多，即价带中电子越少，价带中束缚电子的移动愈方便，形成的电流愈大，因此价带的导电能力并不与价带中电子的多少成正比，而是与价带电子空位的多少成正比，故用空穴来描述价带的导电能力。空穴的移动始终是束缚电子在共价键内的移动，空穴始终在价带内运动)。 归纳以上述两方面，在半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子、带正电的空穴，在电场作用下分别形成电子电流和空穴电流，它们的和即是半导体中的电流。 半导体在热(或光照等)作用下产生电子—空穴对称本征热激发。

3.本征载流子的浓度

由上分析知，一方面，有一个价电子挣脱共价键成为自由电子，就会留下一个空穴，成对产生;另一方面，运动中的电子跳进空穴，同时也就减少一个空穴，这称为复合，即成对消失。所以在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合最终处于一种平衡状态，使半导体中载流子的浓度一定，且电子浓度等于空穴浓度。

理论表明：本征载流子的浓度有一个表示的公式

补充：对禁带宽度的解释 价带中的每一条能级至多能容纳两个电子 对公式的说明：

例：

可见温度 增加， 和 也增大，说明半导体的导电性能对温度敏感，验证了特性①。

[硅：温升8℃， 和 增加一倍;

锗：温升12℃， 和 增加一倍。]

载流子浓度

利用这种对外界的敏感性可制成各种光敏或热敏元件。 [总结： ①本征半导体价带中电子的电子被激发至导带后，同时在价带中出现空穴，导带中的自由电子和价带中的空穴都能在外加电场作用下产生定向运动形成电流，故半导体中的导带电子和价带空穴都是运载电流的粒子，称为“载流子”。载流子数目的多少，是衡量导电能力的标志。这样，半导体中就有自由电子和空穴两种导电机构。 ②空穴始终在价带内运动，自由电子始终在导带内运动，也就是说，空穴的移动始终是束缚电子在共价键内的移动，它和已挣脱共价键的自由电子是完全不同的。 ③在本征导体内自由电子和空穴总是成结出现的，也就是说，有一个自由电子就必定有一个空穴，因此在任何时候，本征半导体的导带电子和价带空穴数总是相等的。]

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