少子(物理名詞)

少子，又稱少數載流子，是指在N型半導體中，空穴稱為少數載流子，簡稱少子。少子是半導體物理的概念。半導體材料中有電子和空穴兩種載流子。如果在半導體材料中某種載流子占大多數，導電中起到主要作用，則稱它為多子。反之，稱為少子。少子濃度主要由本徵激發決定，所以受溫度影響較大。

基本介紹

• 中文名：少子
• 外文名：minority carrier
• 學科：半導體物理
• 釋義：電流載體
• 濃度：由本徵激發決定
• 相關概念：載流子

概念

少子，即少數載流子，是半導體物理的概念。 它相對於多子而言。

P型半導體

半導體材料中有電子和空穴兩種載流子。如果在半導體材料中某種載流子占少數，導電中起到次要作用，則稱它為少子。如，在N型半導體中,空穴是少數載流子，電子是多數載流子；在P型半導體中，空穴是多數載流子,電子是少數載流子。

形成

多子和少子的形成:以矽為例，五價元素的原子有五個價電子，當它頂替晶格中的四價矽原子時，每個五價元素原子中的四個價電子與周圍四個矽原子以共價鍵形式相結合，而餘下的一個就不受共價鍵束縛，它在室溫時所獲得的熱能足以使它掙脫原子核的吸引而變成自由電子。出於該電子不是共價鍵中的價電子，因而不會同時產生空穴。而對於每個五價元素原子，儘管它釋放出一個自由電子後變成帶一個電子電荷量的正離子，但它束縛在晶格中，不能象載流子那樣起導電作用。這樣，與本徵激發濃度相比，N型半導體中自由電子濃度增加了，而空穴因與自由電子相遇而複合的機會增大，其濃度反而更小了。

少子濃度主要由本徵激發決定，所以受溫度影響較大。

壽命

即少數載流子壽命。光生電子和空穴從一開始在半導體中產生直到消失的時間稱為壽命。載流子壽命就是指非平衡載流子的壽命。而非平衡載流子一般也就是非平衡少數載流子（因為只有少數載流子才能注入到半導體內部、並積累起來，多數載流子即使注入進去後也就通過庫侖作用而很快地消失了），所以非平衡載流子壽命也就是指非平衡少數載流子壽命，即少數載流子壽命。

少子壽命與電阻關係曲線

少子壽命的決定因素

不同半導體中影響少數載流子壽命長短的因素，主要是載流子的複合機理（直接複合、間接複合、表面複合、Auger複合等）及其相關的問題。

對於Si、Ge等間接躍遷的半導體，因為導帶底與價帶頂不在Brillouin區的同一點，故導帶電子與價帶空穴的直接複合比較困難（需要有聲子等的幫助才能實現——因為要滿足載流子複合的動量守恆），則決定少數載流子壽命的主要因素是通過複合中心的間接複合過程。從而，半導體中有害雜質和缺陷所造成的複合中心（種類和數量）對於這些半導體少數載流子壽命的影響極大。所以，為了增長少數載流子壽命，就應該去除有害的雜質和缺陷；相反，若要減短少數載流子壽命，就可以加入一些能夠產生複合中心的雜質或缺陷（例如摻入Au、Pt，或者採用高能粒子束轟擊等）。

對於GaAs等直接躍遷的半導體，因為導帶底與價帶頂都在Brillouin區的同一點，故決定少數載流子壽命的主要因素就是導帶電子與價帶空穴的直接複合過程。因此，這種半導體的少數載流子壽命一般都比較短。

當然，有害的雜質和缺陷將有更進一步促進複合、減短壽命的作用。

少子壽命對半導體器件的影響

對於主要是依靠少數載流子輸運（擴散為主）來工作的雙極型半導體器件，少數載流子壽命是一個直接影響到器件性能的重要參量。這時，常常採用的一個相關參量就是少數載流子擴散長度L（等於擴散係數與壽命之乘積的平方根），L即表征少數載流子一邊擴散、一邊複合所能夠走過的平均距離。少數載流子壽命越長，擴散長度就越大。

對於BJT，為了保證少數載流子在基區的複合儘量少（以獲得很大的電流放大係數），則必須把基區寬度縮短到少數載流子的擴散長度以下。因此，要求基區的少數載流子壽命越長越好。

半導體中的非平衡載流子壽命是半導體的一個基本特性參數，它的長短將直接影響到依靠少數載流子來工作的半導體器件的性能，這種器件有雙極型器件和p-n結光電子器件等。但是，對於在結構上包含有p-n結的單極型器件（例如MOSFET）也會受到載流子壽命的影響。

非平衡載流子壽命主要是指非平衡少數載流子的壽命。影響少子壽命的主要因素是半導體能帶結構和非平衡載流子的複合機理；對於Si 、Ge、GaP等間接禁帶半導體，一般決定壽命的主要因素是半導體中的雜質和缺陷。

對於少子壽命有明顯依賴關係的電子器件特性，主要有雙極型器件的開關特性、導通特性和阻斷特性；對於光電池、光電探測器等之類光電子器件，與少子壽命直接有關的特性主要有光生電流、光生電動勢等。

控制少子壽命的主要方法

一般，有兩個方面需要考慮：

一是注意在工藝過程中控制好載流子壽命，使得不發生變化。這裡主要是要注意清潔度和操作過程的控制，以避免有害雜質的引入和減少工藝誘生的二次缺陷。

二是通過有意摻入一些深能級雜質，或者造成一些晶體缺陷來加以控制，因為許多深能級雜質和晶體缺陷都將構成複合中心。在Si器件中，常用作為複合中心的深能級雜質是Au和Pt，常用來引入晶體缺陷的措施是電子輻照。 Au和Pt以及電子輻照，這三種複合中心的引入方法各有千秋。一般，可以見到：

①對於高摻雜（低電阻）半導體材料，摻Au和摻Pt的τH/τL比值都較大；但對於低摻雜（高電阻）半導體材料，只有摻Au的τH/τL比值才較大。因此，從既降低導通壓降、又提高開關頻率的角度來考慮時，還是摻Au的效果比較好。

②從少子產生壽命與大注入壽命之比（τs/τH）來看，摻Pt和電子輻照的比值較大，因此，在保持導通壓降相同的情況下，摻Pt和電子輻照都可以維持器件的反向漏電流較小。

③對於摻Pt的Si，τH/τL比值隨摻雜濃度的變化很大，因此Pt作為功率器件的複合中心不太理想；

④對於電子輻照的Si，τH/τL比值基本上不隨摻雜濃度而變化，因此，電子輻照能夠對功率器件提供比較理想的複合中心；

⑤對於摻Au的Si，τH/τL比值完全不隨摻雜濃度而變化，因此，Au也是功率器件的一種理想的複合中心。

作用

少數載流子雖然數量少，但是它所產生的電流卻不一定小，其主要原因就是它們能夠產生很大的濃度梯度，從而可輸運很大的電流。例如數百安培工作電流的SCR就是少數載流子工作的器件，所有BJT 就都是少數載流子工作的器件。相反，多數載流子工作的器件，其電流倒不一定很大。

少數載流子能夠存儲（積累），則對於器件的開關速度有很大影響；而多數載流子的電容效應（勢壘電容）往往是影響器件最高工作頻率的因素。