半導體空穴到底怎么導電的?

2019-03-01

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


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

這段時(shí)間我都在看半導體方面的書(shū),什么導帶、價(jià)帶、禁帶,概念很多,忍著(zhù)頭皮耐心的看下去,終于把長(cháng)期困擾在心中的空穴導電概念理解了一番,但不敢說(shuō)就是對的,先把自己理解的一點(diǎn)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,材料中的電子根據能量大小分為三個(gè)部分,因為這個(gè)部分是一個(gè)區域,所以用“帶”表示,類(lèi)似頻率的頻帶概念一樣。比較常見(jiàn)的分為價(jià)帶、導帶和禁帶三級,能量最低的是價(jià)帶,當價(jià)帶中的電子獲得能量,就會(huì )越過(guò)禁帶跳到導帶中去。注意,禁帶是不允許電子存在的,這個(gè)是量子理論決定的,也就是電子的能級,只能在有限的幾個(gè)能級分布,而不是連續的。

金屬導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帶中,所以會(huì )導電。絕緣體沒(méi)有自由電子,所以在導帶中沒(méi)有電子,所以無(wú)法導電。對于半導體來(lái)說(shuō),摻雜5價(jià)磷的N型材料,因為多出一個(gè)電子,這個(gè)電子成為自由電子進(jìn)入導帶,所以就可以導電,這個(gè)很好理解,那么空穴型的呢?空穴型的在導帶中沒(méi)有自由電子,所以不存在導帶中的導電特性。這是特別注意的。

既然空穴型材料沒(méi)有導帶中的自由電子導電,那么空穴如何導電呢,所以肯定不是導帶導電,但是空穴的本質(zhì)還是電子導電,只是這個(gè)電子不是來(lái)自于導帶中的電子,而是來(lái)自于價(jià)帶中的電子,這是問(wèn)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(jià)帶電子,若這些電子只要獲得少量的能量,這個(gè)能量達到價(jià)帶的頂端、禁帶的低端,它就可能跳到周邊的空穴中,而不需要跳到導帶中去(它也跳不過(guò)去),當外電場(chǎng)加入時(shí),這個(gè)空穴就開(kāi)始移動(dòng),所以成為空穴導電。

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


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