载流子

带有电荷的物质微粒

释词：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。

简介

载流子就是带有电荷、并可运动而输运电流的粒子，包括电子、离子等。半导体中的载流子有两种，即带负电的自由电子和带正电的自由空穴。实际上，空穴也就半导体中的价键空位，一个空位的运动就相当于一大群价电子的运动；只不过采用数量较少的空穴这个概念来描述数量很多的价电子的运动要方便得多。所以，从本质上来说，空穴只是一大群价电子的另一种表述而已。

学术解释

1、不论是N型半导体中的自由电子，还是P型半导体中的空穴，它们都参与导电，统称为“载流子”.“载流子”导电是半导体所特有的。

2、关于气体导电众所周知，导体之所以容易导电，是因为“导体中存在大量的可以自由移动的带电物质微粒，称为载流子。在外电场的作用下，载流子作定向运动，形成明显的电流”。

学术定义

在半导体中载运电流的带电粒子——电子和空穴，又称自由载流子。在一定温度下，半导体处于热平衡状态，半导体中的导电电子浓度n0和空穴浓度p0都保持一个稳定的数值，这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。

推算公式

在本征半导体中只发生热激发时，电子数目等于空穴数目，这时热平衡载流子浓度为

式中m0为电子质量，kg;mn*为电子有效质量,kg; mp*为空穴有效质量，kg;k为玻耳兹曼常数，J/K;Eg为禁带宽度，eV;ni为本征载流子浓度，cm-3;T为绝对温度，K。

对于杂质半导体,N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴称为多数载流子（简称多子），而N型半导体中的空穴和P型半导体中的电子称为少数载流子（简称少子）。在强电离的情况下，N型半导体中多子浓度nn及少子浓度pn分别为

P型半导体中多子浓度pp及少子浓度np分别为

上二式中ND为施主杂质浓度，cm-3;NA为受主杂质浓度，cm-3。

如果对半导体施加外界作用（如用光的或电的方法），破坏了热平衡条件，使半导体处于与热平衡状态相偏离的状态，则称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子比平衡状态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。在N型半导体中，把非平衡电子称为非平衡多数载流子，非平衡空穴称为非平衡少数载流子。对P型半导体则相反。在半导体器件中，非平衡少数载流子往往起着重要的作用。

寿命

载流子寿命life time of carriers

非平衡载流子在复合前的平均生存时间，是非平衡载流子寿命的简称。在热平衡情况下，电子和空穴的产生率等于复合率，两者的浓度维持平衡。在外界条件作用下（例如光照），将产生附加的非平衡载流子，即电子—空穴对；外界条件撤消后，由于复合率大于产生率，非平衡载流子将逐渐复合消失掉，最后回复到热平衡态。非平衡载流子浓度随时间的衰减规律一般服从exp(-t/τ）的关系，常数τ表示非平衡载流子在复合前的平均生存时间，称为非平衡载流子寿命。在半导体器件中，由于非平衡少数载流子起主导作用，因此τ常称为非平衡少数载流子寿命，简称少子寿命。τ值范围一般是10-1～103μs。复合过程大致可分为两种：电子在导带和价带之间直接跃迁，引起一对电子—空穴的消失，称为直接复合；电子—空穴对也可能通过禁带中的能级（复合中心）进行复合，称为间接复合。每种半导体的τ并不是取固定值，将随化学成分和晶体结构的不同而大幅度变化，因此，寿命是一种结构灵敏参数。τ值并不总是越大越好。对于Si单晶棒和晶体管的静态特性来说，希望τ值大些。但是,对于在高频下使用的开关管，却往往需要掺杂（扩散金），以增加金杂质复合中心，降低τ值，提高开关速度。在电力电子器件生产中，常用电子束辐照代替掺金，降低τ值。在Si和GaAs材料、器件和集成电路生产过程中，τ值是必须经常检测的重要参数。

载流子与半导体的关系

载流子，是承载电荷的、能够自由移动以形成电流的物质粒子。半导体的性质跟导体和绝缘体不同，是因为其能带结构不同；而半导体的导电能力可以控制，主要是因为其载流子的种类和数量与导体和绝缘体不同，并且可以受到控制，其调节手段就是“掺杂”，即往纯净的半导体中掺入杂质，来改变其载流子数量、分布和运动趋势，从而改变整体导电性能。

绝缘体和金属导体的载流子是电子，而半导体除了电子外，还有一种载流子叫空穴。另外还有正离子、负离子也都带有电荷，但是在半导体中，它们一般不会流动，所以认为半导体的载流子就是电子和空穴这两种。

电子作为载流子容易理解，因为物质中的原子是由原子核和电子组成的，在一定条件下挣脱原子核束缚的自由电子可以运动，因而产生电流。而所谓空穴，就是由于电子的缺失而留下的空位。这就好像车与车位的关系，假设有一排共5个车位，从左边开始按顺序停了4辆车，最右边有1个空位，如果最左边的车开到最右边的空位上去，那么最左边的车位就空出来了。看起来好像是空位从右边到了左边，这是一种相对运动，车从左到右的移动，相当于空位从右到左的移动。同样道理，带负电的电子的运动，可看作是带正电的空穴的反方向运动。在没有杂质的纯净半导体中，受热激发产生的移动的电子数量和空穴数量是相等的，因为带负电的电子和带正电的空穴会进行复合，在数量大致相等的情况下，“产生”和“复合”会达到一个动态平衡，这样宏观上看来并没有产生有效电流。为了改善其导电性能，就引入了掺杂手段。

对集成电路来说，最重要的半导体材料是硅。硅原子有4个价电子，它们位于以原子核为中心的四面体的4个顶角上。这些价电子会与其他硅原子的价电子结合成共价键，大量的硅原子以这种方式互相结合，形成结构规律的晶体。如果给它加入砷（或磷），砷最外层有5个电子，其中4个电子也会跟硅原子的4个价电子结合成共价键，把砷原子固定在硅材料的晶格中。此时会多出1个自由电子，这个电子跃迁至导带所需的能量较低，容易在硅晶格中移动，从而产生电流。这种掺入了能提供多余电子的杂质而获得导电能力的半导体称为N型半导体，“N”为Negative，代表带负电荷的意思。如果我们在纯硅中掺入硼（B），因为硼的价电子只有3个，要跟硅原子的4个价电子结合成共价键，就需要吸引另外的1个电子过来，这样就会形成一个空穴，作为额外引入的载流子，提供导电能力。这种掺入可提供空穴的杂质后的半导体，叫做P型半导体，“P”是Positive，代表带来正电荷的意思。

需要注意的是，掺入杂质后的半导体中仍然同时具有电子和空穴这两种载流子，只是各自数量不同。在N型半导体中，电子（带负电荷）居多，叫多数载流子，空穴（带正电荷）叫少数载流子。在P型半导体中，则反之：空穴为多数载流子，电子为少数载流子；可以分别简称为“多子”、“少子”。

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