本征半导体的载流子是由热激发产生的自由电子和空穴,其浓度取决于禁带宽度和温度,且电子与空穴数量始终相等。
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载流子的产生机制
本征半导体在绝对零度时无自由载流子,但随着温度升高,共价键中的电子获得足够能量跃迁至导带,形成自由电子,同时在价带留下空穴。这一过程称为“本征激发”,电子和空穴成对出现,浓度随温度指数增长。 -
载流子的浓度特性
本征载流子浓度((n_i))由公式 (n_i = \sqrt{N_c N_v} e^{-E_g/2kT}) 决定,其中 (E_g) 为禁带宽度,(N_c)、(N_v) 为导带和价带有效态密度。硅在300K时 (n_i \approx 1.5 \times 10^{10} cm^{-3}),而禁带更宽的砷化镓载流子浓度更低。 -
影响因素与平衡关系
温度是主要影响因素:温度越高,载流子浓度越大。但电子与空穴浓度始终满足 (n = p = n_i),即使掺杂后仍遵循 (np = n_i^2) 的平衡关系。
理解本征载流子行为是半导体器件设计的基础,其热敏感特性也解释了为何高温会导致器件性能退化。