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半导体器件和技术/载流子
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'''载流子''',顾名思义即是运载电流的粒子。在导体中,只有自由电子这一种载流子进行导电;而在半导体中有两种载流子,即自由电子和空穴,这是半导体导电的特殊性质。 <!-----由于半导体中掺入了3价或者5价的元素后,在形成共价键后,会有多出空穴(掺入3价的元素后,某些原子周围形成四个共价键,其中一个键含有空穴,形成这个共价键本来需要两个电子,但只提供了一个电子,剩余的那个“空位”,即是“空穴”);及自由电子(掺入5价元素,形成共价键后多出的电子)。以上两种可以运载电荷的粒子,即成为载流子。普通导体导电有一种载流子:自由电子;而半导体有两种:自由电子和空穴。-----> == 自由电子和空穴 == === 自由电子 === 在常温下,本征半导体中有极少数的价电子因热运动获得足够能量,从而挣脱共价键的束缚成为自由电子。若在本征半导体两端加一电场,则自由电子将会产生定向移动,形成电子电流。 === 空穴 === 电子挣脱共价键的束缚后,会在共价键留下一个空位置,称为'''空穴'''。原子失掉一个价电子而带正电,可说空穴带正电。在本征半导体中,自由电子和空穴成对出现。若在本征半导体两端加一电场,则价电子将按一定的方向填补空穴,即空穴产生定向移动,形成空穴电流。本征半导体中自由电子和空穴所带电荷的极性不同,所以它们的运动方向相反,本征半导体中的电流是两个电流之和。 == 本征半导体中载流子的浓度 == *'''本征激发''':在热激发下,半导体产生自由电子和空穴的现象。 *'''复合''':自由电子在运动过程中遇到空穴并填补空穴,使两者同时消失。 在一定温度下,由'''本征激发'''产生的自由电子和空穴对与'''复合'''的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。换言之,在一定温度下,本征半导体中的载流子浓度是一定的,并且自由电子和空穴的浓度相等。 当环境温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也增多,载流子浓度升高,使导电性增强。反之,载流子浓度降低,导电能力变差。 本征半导体的载流子浓度是关于环境温度的函数:</br><center><math>n_i=i_i=K_1T^\frac{3}{2}e^\frac{-E_{GO}}{(2kT)}</math></center></br>在上式中,<math>n_i</math>和<math>p_i</math>分别表示自由电子和空穴的浓度(<math>\mathrm{cm^{-3}}</math>),<math>T</math>为热力学温度,<math>k</math>为玻尔兹曼常数(<math>\mathrm{8.63\times10^{-5}eV/K}</math>),<math>E_{GO}</math>为热力学零度时破坏共价键所需的能量,又称禁带宽度,(硅为<math>1.21\mathrm{eV}</math>,锗为<math>0.785\mathrm{eV}</math>),<math>K_1</math>是与半导体材料载流子有效能级密度有关的常量(硅为<math>3.87\times10^{16}\mathrm{cm^{-3}\cdot K^{-3/2}}</math>,锗为<math>1.76\times10^{16}\mathrm{cm^{-3}\cdot K^{-3/2}}</math>)。从上式中可以看出,当<math>T=0\mathrm K</math>时,自由电子与空穴的浓度均为零,本征半导体成为绝缘体;当温度升高时,本征半导体载流子的浓度近似按指数曲线升高。在常温下,即<math>T=300\mathrm K</math>时,硅材料的本征载流子浓度<math>n_i=p_i=1.43\times10^{10}\mathrm{cm^{-3}}</math>,锗材料的本征载流子浓度<math>n_i=p_i=2.38\times10^{13}\mathrm{cm^{-3}}</math>。
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