半导体中的载流子

在分析半导体器件中，我们经常听到一个名词—载流子。本文对载流子相关的词汇进行了汇总说明，希望能在半导体器件的原理分析中为大家加强理解。
 
NO.1 什么是载流子，和电子、质子有关吗？
载流子既不是原子也不是质子。它是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。

图 半导体中的电子与空穴

NO.2多子与少子是什么？
多子与少子是多数载流子与少数载流子的简称。在半导体中，电子和空穴作为载流子。数目较多的载流子称为多数载流子；在N型半导体中多数载流子是电子，而在P型半导体中多数载流子是空穴。数目较少的载流子称为少数载流子；在N型半导体中少数载流子是空穴，而在P型半导体中少数载流子是电子。

图 少子与多子

NO.3什么是载流子的寿命
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。
 
NO.4热载流子有温度吗？
热载流子不是指载流子的冷热。而是指比零电场下的载流子具有更高平均动能的载流子。零电场下，载流子通过吸收和发射声子与晶格交换能量，并与之处于热平衡状态，其温度与晶格温度相等。在有电场的作用存在时，载流子可以从电场直接获取能量，而晶格却不能。晶格只能借助载流子从电场间接获取能量，就从电场获取并积累能量又将能量传递给晶格的稳定之后，载流子的平均动能将高于晶格的平均动能，自然也高于其本身在零电场下的动能，成为热载流子。
 
NO.5本征载流子和载流子有什么区别？
本征半导体中的载流子（电子和空穴），即不是由掺杂所产生出来的载流子。也就是说，本征载流子是由热激发——本征激发所产生出来的，即是价电子从价带跃迁到导带而产生出来的；它们是成对产生的，所以电子和空穴的浓度始终相等。
 
NO.6载流子迁移率指的是什么？
迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。一般是电子的迁移率高于空穴。如室温下，低掺杂硅材料中，电子的迁移率为1350cm²/（VS），而空穴的迁移率仅为480cm²/(VS)。
 
NO.7什么是本征载流子的浓度
本征载流子的浓度是指在一定的温度下，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。