半导体电中性条件

专业术语

电中性条件（Charge neutrality codition）：电中性条件是半导体在热平衡情况下，它的内部所必须满足的一个基本条件。

内容介绍

(1) 热平衡半导体：

导体内部在一般情况下都是电中性的。例如金属，其中存在许多导电的电子，它们都是由组成金属的各个原子所提供的（原子本身都变成了带正电荷的离子），离子与电子的正、负电荷相互补偿，则保持整个材料是电中性的。

又如n型半导体，其中的多数载流子——电子，大都是由施主杂质原子所提供的；每一个施主杂质原子给出一个导电的电子以后，自己就变成了一个带正电荷的中心——电离杂质中心，它们的正负电荷相等，互相补偿，依然保持整个半导体是电中性的。至于其中的少数载流子——空穴，由于主要是通过本征激发所产生出来的，空穴与电子成对出来，所以也不会出现多余的净电荷。可见，虽然n型半导体中的电子数量远远大于空穴——少数载流子的数量，但是就整个半导体内部来说，始终是电中性的。对于p型半导体，依然如此。

总之，在金属和半导体中，通常都是电中性的，即其中的正、负电荷相等，这就是所谓的“电中性条件”。导电性越好的材料，电中性条件的要求就越严格，其中不会出现净电荷。

电中性条件即是说半导体内部总是保持为电中性的，其中没有多余的空间电荷，即处处正电荷密度等于负电荷密度。该电中性条件这也就是用来计算各种情况下半导体中的Fermi能级、并从而确定载流子统计分布的出发点。

一般，半导体中的电荷有四种：导带电子的负电荷[A]，价带空穴的正电荷[B]，电离施主的正电荷[C]和电离受主的负电荷[D]；热平衡时的电中性即要求负电荷密度=正电荷密度，即：[A]+[D]=[B]+[C]，这就是所谓电中性条件。对本征半导体，电中性条件简化为：[A]=[B]；对只有一种施主杂质的n型半导体，电中性条件则为：[A]=[B]+[C] 。

(2)非平衡半导体：

正是由于电中性条件的要求，所以不能往金属或者半导体内部注入多数载流子。例如，若在金属内部某处增加了一些电子的话，那么其中的电子之间立即就会通过库仑作用把这些增加的电子排斥到表面，而保持内部仍然为电中性的。再如n型半导体，若往其中注入一些电子的话，那么这些注入的电子也同样立即就被其他电子通过库仑作用而排斥到表面，依然保持内部为电中性。

注意，这里说的电中性条件，是指材料内部，但在表面或者杂质、缺陷处，电中性条件并不需要满足，也因此这些地方能够出现多余的电荷。

可以想见，也正是由于电中性条件的要求，可以往半导体内部注入少数载流子。例如，可以往n型半导体中注入空穴，因为注入的带正电荷的空穴，立刻会被大量的多数载流子——电子所包围（电子可以来自于表面或者杂质、缺陷），仍然能够保持整个半导体是电中性的。同样，也可以往p型半导体中注入少数载流子——电子。

对于非热平衡状态的半导体，其中存在非平衡载流子，同样也需要满足电中性条件。例如，当注入有非平衡电子浓度Dn时，则必将同时出现非平衡空穴浓度Dp，并且它们在数量上相等，即Dn =Dp；不仅如此，而且它们扩散的浓度梯度也将一致，即d(Dn)/dx =d(Dp)/dx。半导体内部在高掺杂或者大注入时所出现的内建电场，实际上也就是这种电中性条件所要求的结果。

当然，对于绝缘体，因为其中没有载流子，所以就不需要满足电中性条件，也因此在绝缘体中可以注入电子或者空穴，其中可以保存有较多的所谓空间电荷。

(3)不均匀半导体：

在热平衡情况下，半导体内部的局部区域也有可能存在电荷——空间电荷和相应的电场——内建电场；但是这并不违反电中性条件，因为存在的电荷总是正、负电荷两种同时出现，它们在数量上也是相等的，则从整个半导体来说还是保持为电中性的。例如，掺杂不均匀的半导体，其中掺杂浓度较高处将会出现多数载流子欠缺，而在掺杂浓度较低处将会出现多数载流子过剩，从而产生空间电荷和相应的内建电场。再如，从半导体表面注入大量的少数载流子时，也将会产生空间电荷和相应的内建电场，该电场对于注入的少数载流子具有加速运动的作用。

简介

（1）电中性条件即是说半导体内部总是保持为电中性的，其中没有多余的空间电荷，即处处正电荷密度等于负电荷密度。该电中性条件这也就是用来计算各种情况下半导体中的Fermi能级、并从而确定载流子统计分布的出发点。

正因为电中性条件的要求，所以，不管半导体中两种载流子的浓度（或者数量）相差何等的大小，但都不会出现多余的电荷。例如n型半导体，其中的多数载流子——电子，都是由施主杂质原子所提供的；当每一个施主杂质原子给出一个导电的电子以后，自己就变成了一个带正电荷的中心——电离施主中心，它们的正负电荷相等，互相补偿，依然保持整个半导体是电中性的。至于其中的少数载流子——空穴，由于主要是通过本征激发所产生出来的，它们（空穴与电子）是成对产生的，所以少数载流子的多少也不会导致出现多余的净电荷。可见，虽然n型半导体中的电子数量远远大于空穴——少数载流子的数量，但是就整个半导体内部来说，始终是电中性的。对于p型半导体，依然如此。

实际上，金属因导电性很好，其内部更需要满足电中性条件。因为带负电的电子与带正电的离子——原子实总是在数量上相等的，故金属内部总是电中性的。

（2）非平衡半导体的电中性条件：

当向半导体内部注入有非平衡载流子时，整个半导体仍然需要满足电中性条件。如果注入的电子浓度是Δn，则必然会有相等数量的空穴Δp产生出来以维持电中性：Δn=Δp；同时它们的浓度梯度也相等：d(Δn)=d(Δp)。如果半导体中还存在陷阱，则还必须计入陷阱中的电荷。

也是由于电中性条件的要求，所以不能往半导体内部注入多数载流子。例如，若往n型半导体中注入一些电子的话，那么这些注入的电子就立即被其他电子通过库仑作用而排斥到表面，依然保持内部为电中性。

注意，这里说的电中性条件，是指材料内部，但在表面或者杂质、缺陷处，电中性条件并不需要满足，也因此这些地方能够出现多余的电荷。

可以想象，也正是由于电中性条件的要求，可以往半导体内部注入少数载流子。例如，可以往n型半导体中注入空穴，因为注入的带正电荷的空穴，立刻会被大量的多数载流子——电子所包围（电子可以来自于表面或者杂质、缺陷），而仍然能够保持整个半导体是电中性的。同样，也可以往p型半导体中注入少数载流子——电子，这并不违反电中性条件。可见，在这种情况下，局部区域中存在空间电荷和相应的内建电场。

当然，对于绝缘体，因为其中没有载流子，所以就不需要满足电中性条件，也因此往绝缘体中可以注入电子或者空穴，其中可以保存有较多的所谓空间电荷。

（3）不均匀半导体的电中性条件：

在热平衡情况下，由于掺杂浓度不均匀、或者注入的非平衡载流子浓度不均匀，即会在半导体内部的局部区域产生出多余的电荷——空间电荷，并出现相应的电场——内建电场；但是这并不违反电中性条件，因为存在的电荷总是正、负电荷两种同时出现，它们在数量上也是相等的，则从整个半导体来说还是保持为电中性的。

例如

n型掺杂不均匀的半导体，其中掺杂浓度较高处将会出现多数载流子（电子）欠缺、并出现正空间电荷，而在掺杂浓度较低处将会出现多数载流子（电子）过剩、并出现负空间电荷，从而产生相应的内建电场；但是正、负空间电荷相等。再如，从半导体表面注入大量的少数载流子时，也将会产生空间电荷和相应的内建电场，该电场对于注入的少数载流子具有加速运动的作用；但同样正、负空间电荷相等。

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