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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。
 
*一 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,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。

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