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半導(dǎo)體空穴到底怎么導(dǎo)電的?

2019-03-01

我們熟悉的半導(dǎo)體材料,常用的是P、N類型的,硅(SI)中摻雜元素硼(B),因為B三價,相對于SI的4價來說,缺少一顆電子,把這個缺失的部分叫做空穴,這類摻雜B的叫P型材料。對應(yīng)的,摻雜了元素磷(P),因為磷5價,相對于Si的4價來說,多出一顆電子,這顆電子孤零零的多出來,成為了自由電子,這類摻雜P的叫N型材料。


N型材料因為有獨立的自由電子,所以很容易導(dǎo)電,這個大家很容易理解,但是所有的書告訴我們P型材料內(nèi)的空穴也能導(dǎo)電,這個我們很難理解,其中的一個解釋是空穴的導(dǎo)電本質(zhì)是電子的跳動,但是看上去是空穴在導(dǎo)電,所以叫空穴導(dǎo)電。但是這個解釋,還是給我們的答案是電子導(dǎo)電,只是相比沒有答案更容易接受一些罷了。那么空穴到底如何導(dǎo)電的?

這段時間我都在看半導(dǎo)體方面的書,什么導(dǎo)帶、價帶、禁帶,概念很多,忍著頭皮耐心的看下去,終于把長期困擾在心中的空穴導(dǎo)電概念理解了一番,但不敢說就是對的,先把自己理解的一點給大家分享一下,先看下圖的一些基本概念:

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如上圖,材料中的電子根據(jù)能量大小分為三個部分,因為這個部分是一個區(qū)域,所以用“帶”表示,類似頻率的頻帶概念一樣。比較常見的分為價帶、導(dǎo)帶和禁帶三級,能量最低的是價帶,當(dāng)價帶中的電子獲得能量,就會越過禁帶跳到導(dǎo)帶中去。注意,禁帶是不允許電子存在的,這個是量子理論決定的,也就是電子的能級,只能在有限的幾個能級分布,而不是連續(xù)的。

金屬導(dǎo)體最外層的電子很活潑,為自由電子,常溫下獲得能量跳到了導(dǎo)帶中,所以會導(dǎo)電。絕緣體沒有自由電子,所以在導(dǎo)帶中沒有電子,所以無法導(dǎo)電。對于半導(dǎo)體來說,摻雜5價磷的N型材料,因為多出一個電子,這個電子成為自由電子進(jìn)入導(dǎo)帶,所以就可以導(dǎo)電,這個很好理解,那么空穴型的呢?空穴型的在導(dǎo)帶中沒有自由電子,所以不存在導(dǎo)帶中的導(dǎo)電特性。這是特別注意的。

既然空穴型材料沒有導(dǎo)帶中的自由電子導(dǎo)電,那么空穴如何導(dǎo)電呢,所以肯定不是導(dǎo)帶導(dǎo)電,但是空穴的本質(zhì)還是電子導(dǎo)電,只是這個電子不是來自于導(dǎo)帶中的電子,而是來自于價帶中的電子,這是問題的核心。

P型材料中有大量的低能量的空穴,而空穴周邊有更多的價帶電子,若這些電子只要獲得少量的能量,這個能量達(dá)到價帶的頂端、禁帶的低端,它就可能跳到周邊的空穴中,而不需要跳到導(dǎo)帶中去(它也跳不過去),當(dāng)外電場加入時,這個空穴就開始移動,所以成為空穴導(dǎo)電。

理解了這些我們就明白了,P型材料是價帶中電子導(dǎo)電,等效于空穴導(dǎo)電,N型材料是導(dǎo)帶中電子導(dǎo)電,也就是電子導(dǎo)電。


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