多数载流子与少数载流子的特性

半导体材料中有电子和空穴两种载流子。如果在半导体材料中某种载流子占大多数，导电中起到主要作用，则称它为多子。

如，在 N 型半导体中,电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

多数载流子与少数载流子的特性

1 、载流子浓度：

对于n型半导体，如果掺杂浓度为ND，则在杂质全电离情况下，其中多数载流子浓度为：n0 ≈ ND，即多数载流子浓度基本上决定于掺杂浓度。假若杂质未全电离，则多数载流子浓度决定于杂质的电离程度，随着杂质的不断电离，多数载流子浓度也不断增大（与温度有指数函数关系）。

而少数载流子浓度，在杂质全电离情况下，可根据热平衡关系n0 p0 = ni2，得到为p0 = ni2 / n0 ≈ ni2 / ND。这就是说，少数载流子浓度基本上决定于本征激发过程（即热激发），并且与掺杂浓度有关。掺杂浓度越高，少数载流子浓度就越低；掺杂浓度越低，少数载流子浓度就越高。

总之，对于Si器件，在室温附近，一般杂质是全电离的，这时多数载流子浓度基本上与温度无关，可近似等于掺杂浓度；而少数载流子浓度则与温度有指数函数的关系（决定于本征激发）。这种不同的多数载流子浓度与少数载流子浓度的温度关系，也就决定了多数载流子器件（场效应器件）与少数载流子器件（双极型器件）在性能上的不同温度关系。

2、载流子的运动：

载流子的运动形式基本上有两种，即漂移运动和扩散运动。这两种运动所产生的电流大小分别决定于不同的因素：漂移电流主要决定于多数载流子浓度和电场的大小；扩散电流主要决定于载流子的浓度梯度，而与浓度本身的大小无关。

半导体与金属一样，其内部都需要保持电中性 （表面不需要保持电中性，可以带有电荷）。对于多数载流子而言，由于电中性的要求，在半导体中很难形成明显的浓度梯度，所以扩散电流往往可以忽略；但是少数载流子则恰恰相反，能够在出现很大浓度梯度的情况下保持电中性，所以数量很少的少数载流子可以产生很大的扩散电流。

总之，多数载流子电流主要以漂移电流为主，少数载流子电流则主要以扩散电流为主。

3、载流子的注入和抽出：

在外界作用下，半导体即偏离平衡状态，成为了一个非平衡体系。偏离平衡的程度即由多数载流子的准Fermi能级与少数载流子的准Fermi能级的分开大小来衡量（如果外加电压为V，则两条准Fermi能级的分开大小=qV）。

在非平衡半导体中，载流子浓度将比平衡载流子浓度增多了（即注入了非平衡载流子）或者减少了（即抽出了非平衡载流子）。由于要满足电中性的要求，则一般只能注入或抽出少数载流子，而不能注入或抽出多数载流子。也正因为如此，多数载流子在半导体中较难以积累或减小而产生浓度梯度；相反，少数载流子则可在半导体中的局部区域积累、或把局部区域的少数载流子抽掉，而可在局部区域形成较大的浓度梯度。

4、载流子的寿命：

在非平衡半导体，其中的载流子浓度将偏离于平衡载流子浓度（在注入情况下是多出了载流子，在抽取情况下是缺少了载流子）。

当去掉外加在非平衡半导体上的作用后，半导体体系将要恢复到平衡状态，即其中多出的载流子将要复合掉，缺少的载流子将要产生出来。这种载流子的复合或者产生，都需要时间，这就是所谓复合寿命或者产生寿命。对于Si、Ge半导体，由于载流子的复合与产生主要是通过复合中心或者产生中心来实现的，所以载流子的复合寿命或者产生寿命的长短也主要决定于复合中心或者产生中心的性质和数量。

由于注入或抽出的载流子一般是少数载流子，所以载流子的复合寿命或者产生寿命通常都是指少数载流子的复合寿命或者产生寿命。例如，n型半导体中的空穴寿命或者p型半导体中的电子寿命。

如果对于多数载流子一定要说其寿命的话，那就是介电弛豫时间（与多数载流子浓度有反比关系），这个时间比起少数载流子寿命时间来说要短得多，往往不予以考虑。

5、对微分电容的贡献： 由于载流子带有电荷，其数量随外加电压的变化就会产生电容效应。由于少数载流子存在于一个复合寿命或者产生寿命的时间，所以其数量的变化就有一个过程，不会马上随着外加电压而发生变化。因此，当外加电压信号的周期比少数载流子寿命时间要长（即信号频率较低）时，少数载流子浓度或数量的变化跟得上外加电压信号的变化，则对电容就有贡献；相反，当外加电压信号的频率较高、以致少数载流子浓度或数量的变化跟不上变化时，就对电容没有贡献。可见，少数载流子产生的电容效应只有在低频下才显得重要，在高频下基本上可以忽略。p-n结的扩散电容就是一种少数载流子电容（主要是少数载流子扩散区的电容效应），它只有在低频下才需要考虑。

至于多数载流子的电容效应(如p-n结势垒电容)，即使在高频下也是不可忽略的，因为多数载流子的介电弛豫时间非常短，其浓度的变化始终跟得上外加电压信号的变化。

6、MOS反型层（沟道）中载流子的双重性：

MOS反型层中的载流子，相对于衬底来说都是少数载流子。例如，p型衬底上表面反型层中的电子，或n型衬底上表面反型层中的空穴。对于增强型MOSFET，当栅极电压大于阈值电压时，将会出现表面反型层（沟道）；但是，如果所加栅极电压的速度很快，以至于沟道中的少数载流子还来不及产生出来，那么该沟道中是空的——既没有多数载流子、也没有少数载流子，是一种耗尽状态的沟道，这时MOS的总耗尽层厚度就等于原来的耗尽层厚度加上沟道的厚度，称为深耗尽层。CCD器件就是利用这种深耗尽层来存储和转移电荷的。

由于表面反型层（沟道）中的载流子是少数载流子，所以在高频下其浓度的变化将跟不上信号电压的变化，故沟道不会呈现出电容效应。

不过，MOSFET反型层（沟道）中的载流子，相对于器件的横向导电而言，却必须认为是多数载流子。例如n型沟道MOSFET，可以把p型衬底与n型沟道之间看成是一个p-n结——场感应p-n结，n型一边的电子就是多数载流子。因此，MOSFET是一种多数载流子器件。

能带结构—n型半导体（2）

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一、n型半导体

n型半导体的n取自negative的首字母

掺杂、缺陷,都可以造成导带中电子浓度的增高。对于硅、锗类半导体材料,掺杂磷P、砷As、锑Sb等Ⅴ族元素,当杂质原子以替带方式取代晶格中的锗、硅原子时,可提供除满足共价键配位以外的一个多余电子,这就形成了半导体中导带电子浓度的增加,该类杂质原子称为施主donor ，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的施主往往采用Ⅳ或Ⅵ族元素.某些氧化物半导体,如ZnO、Ta2O5等,其化学配比往往呈现缺氧.这些氧空位能表现出施主的作用,又叫施主杂质 ，因而该类氧化物通常呈电子导电性,即是N型半导体,真空加热,能进一步加强缺氧的程度,这表现为更强的电子导电性.

比如上图，磷的价电子层有5个电子，当它与价电子层有4个电子的纯硅掺杂时，它形成4个共价键。这就剩下了一个价电子的存在，这个电子可以自由地运动进入导带。这个电子被认为是自由电子，以电子导电为主，与导电的 (即导电载体) 主要是带负电的电子,这些电子来自半导体中的施主，进而提高了材料的导电性，所以P又叫施主杂质

二、n型半导体的能带图

对于n型半导体，如上图所示，施主能级（又叫杂质能级）在费米能级以上，更靠近费米能级 ，故而价带上的电子更容易通过费米能级跃迁到杂质能级上，导致导带上得到电子，带负电negative，这也是n型半导体n字的由来。

总的来说，III、V族元素在Si，Ge晶体中分别是受主和施主杂质，在禁带中引入能级（又称杂质能级），受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低。这些杂质可以处于两种状态，即未电离的中性态以及电离后的离化态，离化态是我们关注最多的，即在离化态的时候，受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心，施主杂质向导带提供电子而成为正电中心

三、n, p型半导体的区别

1. 当III族元素被掺杂到一个完整的半导体材料Si，Ge中时，就产生了p型半导体。相反，当V族元素被掺杂时，就会产生n型半导体；

2. 如镓、硼、铟等组分掺杂，形成p型半导体;因此，它会产生一个额外的空穴，因此也被称为受体杂质。相反，铋、砷、锑等组分被掺杂后产生n型半导体，产生额外的电子，因此也被称为施主杂质；

3. p型半导体和n型半导体的另一个关键区别是，在p型半导体中，空穴是大多数载流子，少数载流子是电子。而在n型半导体中，电子表现为多数载流子，。少数载流子是空穴；

4. 器件的电导率主要取决于大多数载流子。因此，在p型半导体中，空穴受电流传导的影响。相反，在n型半导体的情况下，电子负责电流的传导；

5. 在p型半导体的情况下，费米能级似乎更接近价带而不是导带。相反，在n型半导体的情况下，费米能级存在于导带附近；

6. 在p型半导体材料中，空穴的聚集比电子多。在n型半导体中，电子的浓度比带隙更重要。

参考《半导体物理学》

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n型半导体中的多数载流子是多数载流子与少数载流子的特性