半导体空穴到底怎么导电的?

2019-03-01

我们熟悉的半导体材料,常用的是P、N类型的,硅(SI)中掺杂元素硼(B),因为B三价,相对于SI的4价来说,缺少一颗电子,把这个缺失的部分叫做空穴,这类掺杂B的叫P型材料。对应的,掺杂了元素磷(P),因为磷5价,相对于Si的4价来说,多出一颗电子,这颗电子孤零零的多出来,成为了自由电子,这类掺杂P的叫N型材料。


N型材料因为有独立的自由电子,所以很容易导电,这个大家很容易理解,但是所有的书告诉我们P型材料内的空穴也能导电,这个我们很难理解,其中的一个解释是空穴的导电本质是电子的跳动,但是看上去是空穴在导电,所以叫空穴导电。但是这个解释,还是给我们的答案是电子导电,只是相比没有答案更容易接受一些罢了。那么空穴到底如何导电的?

这段时间我都在看半导体方面的书,什么导带、价带、禁带,概念很多,忍着头皮耐心的看下去,终于把长期困扰在心中的空穴导电概念理解了一番,但不敢说就是对的,先把自己理解的一点给大家分享一下,先看下图的一些基本概念:

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如上图,材料中的电子根据能量大小分为三个部分,因为这个部分是一个区域,所以用“带”表示,类似频率的频带概念一样。比较常见的分为价带、导带和禁带三级,能量最低的是价带,当价带中的电子获得能量,就会越过禁带跳到导带中去。注意,禁带是不允许电子存在的,这个是量子理论决定的,也就是电子的能级,只能在有限的几个能级分布,而不是连续的。

金属导体最外层的电子很活泼,为自由电子,常温下获得能量跳到了导带中,所以会导电。绝缘体没有自由电子,所以在导带中没有电子,所以无法导电。对于半导体来说,掺杂5价磷的N型材料,因为多出一个电子,这个电子成为自由电子进入导带,所以就可以导电,这个很好理解,那么空穴型的呢?空穴型的在导带中没有自由电子,所以不存在导带中的导电特性。这是特别注意的。

既然空穴型材料没有导带中的自由电子导电,那么空穴如何导电呢,所以肯定不是导带导电,但是空穴的本质还是电子导电,只是这个电子不是来自于导带中的电子,而是来自于价带中的电子,这是问题的核心。

P型材料中有大量的低能量的空穴,而空穴周边有更多的价带电子,若这些电子只要获得少量的能量,这个能量达到价带的顶端、禁带的低端,它就可能跳到周边的空穴中,而不需要跳到导带中去(它也跳不过去),当外电场加入时,这个空穴就开始移动,所以成为空穴导电。

理解了这些我们就明白了,P型材料是价带中电子导电,等效于空穴导电,N型材料是导带中电子导电,也就是电子导电。


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