半导体中的多子与少子是指多数载流子和少数载流子,分别由掺杂决定:N型半导体中电子为多子、空穴为少子;P型半导体中空穴为多子、电子为少子。 两者的浓度差异直接影响半导体的导电性和器件性能。
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多子的主导作用
多子浓度通常比本征载流子高数个数量级,例如N型硅中电子浓度可达10¹⁶/cm³,而本征浓度仅10¹⁰/cm³。这种高浓度使多子成为电流的主要载体,决定了半导体的低电阻特性。在二极管正向偏置时,多子(如P区的空穴)会大量注入对方区域形成导通电流。 -
少子的关键影响
尽管少子浓度低(可能仅10⁴/cm³),但其扩散长度长(可达数百微米),对器件动态特性至关重要。例如光伏电池中,光生少子扩散到PN结形成电势差;双极晶体管中少子的跨区输运放大电流。高温或强光照会显著增加少子浓度,导致器件漏电。 -
浓度关系的平衡
多子与少子浓度满足质量作用定律:n₀×p₀=nᵢ²(nᵢ为本征浓度)。掺杂越高,多子越多而少子越少。PN结耗尽区内,少子的产生-复合速率直接影响反向饱和电流。功率器件设计中常通过寿命控制(如掺金)降低少子寿命以减少开关损耗。
半导体器件的性能优化本质是多子与少子的协同调控——通过掺杂工程控制多子保证导电能力,同时管理少子行为以优化开关速度、发光效率等特性。实际应用中需根据场景权衡两者比例,如CPU要求高掺杂减少少子延迟,而太阳能电池则需长少子寿命提升转换效率。