載流子

釋詞：電流載體，稱載流子。在物理學中，載流子指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，如電子和離子。在半導體物理學中，電子流失導致共價鍵上留下的空位（空穴引）被視為載流子。金屬中為電子，半導體中有兩種載流子即電子和空穴。在電場作用下能作定向運動的帶電粒子。如半導體中的自由電子與空穴，導體中的自由電子，電解液中的正、負離子，放電氣體中的離子等。

基本介紹

• 中文名：載流子
• 外文名：carrier
• 釋義：電流載體
• 分類：電子、物質微粒等
• 例如：電子和離子等
• 運動：定向運動

簡介

載流子就是帶有電荷、並可運動而輸運電流的粒子，包括電子、離子等。半導體中的載流子有兩種，即帶負電的自由電子和帶正電的自由空穴。實際上，空穴也就半導體中的價鍵空位，一個空位的運動就相當於一大群價電子的運動；只不過採用數量較少的空穴這個概念來描述數量很多的價電子的運動要方便得多。所以，從本質上來說，空穴只是一大群價電子的另一種表述而已。

學術解釋

"載流子" 在學術文獻中的解釋：

1、不論是N型半導體中的自由電子，還是P型半導體中的空穴，它們都參與導電，統稱為“載流子”.“載流子”導電是半導體所特有的。

2、關於氣體導電眾所周知，導體之所以容易導電，是因為“導體中存在大量的可以自由移動的帶電物質微粒，稱為載流子。在外電場的作用下，載流子作定向運動，形成明顯的電流”。

學術定義

在半導體中載運電流的帶電粒子——電子和空穴，又稱自由載流子。在一定溫度下，半導體處於熱平衡狀態，半導體中的導電電子濃度n0和空穴濃度p0都保持一個穩定的數值，這種處於熱平衡狀態下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子。

推算公式

在本徵半導體中只發生熱激發時，電子數目等於空穴數目，這時熱平衡載流子濃度為

式中m₀為電子質量，kg;m_n*為電子有效質量,kg; m_p*為空穴有效質量，kg;k為玻耳茲曼常數，J/K;Eg為禁頻寬度，eV;n_i為本徵載流子濃度，cm^-3;T為絕對溫度，K。

對於雜質半導體,N型半導體中的電子和P型半導體中的空穴稱為多數載流子（簡稱多子），而N型半導體中的空穴和P型半導體中的電子稱為少數載流子（簡稱少子）。在強電離的情況下，N型半導體中多子濃度nn及少子濃度pn分別為

P型半導體中多子濃度pp及少子濃度np分別為

上二式中N_D為施主雜質濃度，cm^-3;N_A為受主雜質濃度，cm^-3。

如果對半導體施加外界作用（如用光的或電的方法），破壞了熱平衡條件，使半導體處於與熱平衡狀態相偏離的狀態，則稱為非平衡狀態。處於非平衡狀態的半導體，其載流子比平衡狀態時多出來的那一部分載流子稱為非平衡載流子。在N型半導體中，把非平衡電子稱為非平衡多數載流子，非平衡空穴稱為非平衡少數載流子。對P型半導體則相反。在半導體器件中，非平衡少數載流子往往起著重要的作用。

壽命

載流子壽命life time of carriers

非平衡載流子在複合前的平均生存時間，是非平衡載流子壽命的簡稱。在熱平衡情況下，電子和空穴的產生率等於複合率，兩者的濃度維持平衡。在外界條件作用下（例如光照），將產生附加的非平衡載流子，即電子—空穴對；外界條件撤消後，由於複合率大於產生率，非平衡載流子將逐漸複合消失掉，最後回復到熱平衡態。非平衡載流子濃度隨時間的衰減規律一般服從exp(-t/τ）的關係，常數τ表示非平衡載流子在複合前的平均生存時間，稱為非平衡載流子壽命。在半導體器件中，由於非平衡少數載流子起主導作用，因此τ常稱為非平衡少數載流子壽命，簡稱少子壽命。τ值範圍一般是10-1～103μs。複合過程大致可分為兩種：電子在導帶和價帶之間直接躍遷，引起一對電子—空穴的消失，稱為直接複合；電子—空穴對也可能通過禁帶中的能級（複合中心）進行複合，稱為間接複合。每種半導體的r並不是取固定值，將隨化學成分和晶體結構的不同而大幅度變化，因此，壽命是一種結構靈敏參數。τ值並不總是越大越好。對於Si單晶棒和電晶體的靜態特性來說，希望τ值大些。但是,對於在高頻下使用的開關管，卻往往需要摻雜（擴散金），以增加金雜質複合中心，降低τ值，提高開關速度。在電力電子器件生產中，常用電子束輻照代替摻金，降低τ值。在Si和GaAs材料、器件和積體電路生產過程中，τ值是必須經常檢測的重要參數。

載流子與半導體的關係

載流子，是承載電荷的、能夠自由移動以形成電流的物質粒子。半導體的性質跟導體和絕緣體不同，是因為其能帶結構不同；而半導體的導電能力可以控制，主要是因為其載流子的種類和數量與導體和絕緣體不同，並且可以受到控制，其調節手段就是“摻雜”，即往純淨的半導體中摻入雜質，來改變其載流子數量、分布和運動趨勢，從而改變整體導電性能。

絕緣體和金屬導體的載流子是電子，而半導體除了電子外，還有一種載流子叫空穴。另外還有正離子、負離子也都帶有電荷，但是在半導體中，它們一般不會流動，所以認為半導體的載流子就是電子和空穴這兩種。

電子作為載流子容易理解，因為物質中的原子是由原子核和電子組成的，在一定條件下掙脫原子核束縛的自由電子可以運動，因而產生電流。而所謂空穴，就是由於電子的缺失而留下的空位。這就好像車與車位的關係，假設有一排共5個車位，從左邊開始按順序停了4輛車，最右邊有1個空位，如果最左邊的車開到最右邊的空位上去，那么最左邊的車位就空出來了。看起來好像是空位從右邊到了左邊，這是一種相對運動，車從左到右的移動，相當於空位從右到左的移動。同樣道理，帶負電的電子的運動，可看作是帶正電的空穴的反方向運動。在沒有雜質的純淨半導體中，受熱激發產生的移動的電子數量和空穴數量是相等的，因為帶負電的電子和帶正電的空穴會進行複合，在數量大致相等的情況下，“產生”和“複合”會達到一個動態平衡，這樣巨觀上看來並沒有產生有效電流。為了改善其導電性能，就引入了摻雜手段。

對積體電路來說，最重要的半導體材料是矽。矽原子有4個價電子，它們位於以原子核為中心的四面體的4個頂角上。這些價電子會與其他矽原子的價電子結合成共價鍵，大量的矽原子以這種方式互相結合，形成結構規律的晶體。如果給它加入砷（或磷），砷最外層有5個電子，其中4個電子也會跟矽原子的4個價電子結合成共價鍵，把砷原子固定在矽材料的晶格中。此時會多出1個自由電子，這個電子躍遷至導帶所需的能量較低，容易在矽晶格中移動，從而產生電流。這種摻入了能提供多餘電子的雜質而獲得導電能力的半導體稱為N型半導體，“N”為Negative，代表帶負電荷的意思。如果我們在純矽中摻入硼（B），如下圖，因為硼的價電子只有3個，要跟矽原子的4個價電子結合成共價鍵，就需要吸引另外的1個電子過來，這樣就會形成一個空穴，作為額外引入的載流子，提供導電能力。這種摻入可提供空穴的雜質後的半導體，叫做P型半導體，“P”是Positive，代表帶來正電荷的意思。

需要注意的是，摻入雜質後的半導體中仍然同時具有電子和空穴這兩種載流子，只是各自數量不同。在N型半導體中，電子（帶負電荷）居多，叫多數載流子，空穴（帶正電荷）叫少數載流子。在P型半導體中，則反之：空穴為多數載流子，電子為少數載流子；可以分別簡稱為“多子”、“少子”。