半导体器件和技术/载流子

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。

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：

$n_i=i_i=K_1{T}^{\frac{3}{2}}{e}^{\frac{-E_{GO}}{(2kT)}}$

在上式中，

$n_i$

和

$p_i$

分别表示自由电子和空穴的浓度（

$\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}}$

），

$T$

为热力学温度，

$k$

为玻尔兹曼常数（

$\mathrm{8}\mathrm{.}\mathrm{6}\mathrm{3}\mathrm{\times }\mathrm{1}{\mathrm{0}}^{\mathrm{-}\mathrm{5}}\mathrm{e}\mathrm{V}/\mathrm{K}$

），

$E_{GO}$

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

$1.21\mathrm{e}\mathrm{V}$

，锗为

$0.785\mathrm{e}\mathrm{V}$

），

$K_1$

是与半导体材料载流子有效能级密度有关的常量（硅为

$3.87\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{K}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}/\mathrm{2}}$

，锗为

$1.76\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{K}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}/\mathrm{2}}$

）。从上式中可以看出，当

$T=0\mathrm{K}$

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

$T=300\mathrm{K}$

时，硅材料的本征载流子浓度

$n_i=p_i=1.43\times 10^{10}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}}$

，锗材料的本征载流子浓度

$n_i=p_i=2.38\times 10^{13}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}}$

。