载流子的产生和复合

第4组的元素的导电能力随着原子序数的增加而增加。碳在钻石的情况下是一个真正的绝缘体。硅和锗导电能力稍微高一点，但他们相对于金属比如锡和铅仍旧差很多。由于他们的介于中间的导电能力，所以硅和锗被称为半导体。

有导电能力就意味着有自有电子。为了能导电，半导体至少要有些价电子能逃逸出来。实验也确实证明在纯硅和锗中有很小但可测量的自由电子浓度。自由电子的存在表示有某种途径提供了打破共价键所需的能量。热力学统计原理认为这个能量来自于晶体结构中的随机热运动。尽管一个电子的平均热能相对来说很小（小于0.1电子伏特）这些能量也是随机分布的，但大量的电子就拥有了大量的能量。价电子脱离晶体结构的所需的能量称为bandgap energy. 有高bandgap energy的物质有强的共价键，应此有更少的自由电子。有低bandgap energy的物质有更多的自由电子相应的有更好的导电能力。（表1.1）。
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表1.1 第4组元素的部分性质。

当电子逃逸出结构时就产生了一个空缺。原来拥有满的OUTER SHELL的原子现在缺了一个价电子，因此带正电。.3是这种情况的简单图示。离子化的原子如果能从邻近的原子捕获一个电子的话，那么它又能回到满VALENCE SHELL的状态。这个很容易做到，因为它还和邻近的3个原子共享电子。但这个电子空缺却没有消除；它只不过是移到了邻近的另一个原子。随着空缺在不同的原子之间转移，它就好像在晶体结构中移动一样。这个能移动的电子空缺就被称为空穴。
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.3 本征硅中热运动。

假设在晶体上有一个电场。带负电的自有电子向晶体电场上电位高的方向移动。空穴就好像带了正电一样，向电场上电位低的方向移动。空穴的运动能看作为水中的气泡。就好像气泡是没水的地方一样，空穴是没有价电子的地方。气泡向上运动因为水是向下沉的。空穴往电位低的地方移动因为它周围的电子往电位高的地方移动。

空穴通常被看作就好像他们是真正的亚原子粒子一样。空穴往电位低的方向移动被解释为空穴是带正电的。同样的，他们穿越晶体结构的移动速度的物理量被称为mobility。空穴的mobility比电子的低；在硅衬底中的典型值是空穴480cm²/V.sec，电子1350cm²/V.sec（4 Streetman，p.443.）。空穴的低mobility使他们成为了低效率的电荷载流子。因此一个器件的表现主要看它的运作是涉及到空穴还是电子。

只要有价电子从晶体结构中逃逸出来，就产生一个自由电子和一个空穴。他们都带电且在电场的影响下运动。电子往高电位移动，产生电子流。空穴往低电位移动，产生一个空穴流。总的电流等于电子流和空穴流之和。由于空穴和电子在运送电荷方面的作用，他们都被称为载流子。

由于价电子逃逸出晶体结构的同时产生了空穴，所以载流子是成对产生的。只要有能量被晶体结构吸收，就有电子－空穴对产生。除了热运动，光，放射性辐射，电子撞击，快速加热，机械摩擦和许许多多其他方法都能产生载流子。举例来说，波长够短的光就能产生电子－空穴对。当晶体结构吸收了一个光子后，终的能量转移就打破了共价键，产生了一个自由电子和一个自由空穴。只有在光子有足够的能量打破键的情况下，这种光学作用才会产生，这反过来要求该光的波长要足够短。可见光可以在大多数的半导体中产生电子－空穴对。太阳能电池就是利用这种现象把光转化为电流的。光电池和固态摄像探测器也使用了该光学原理。

载流子是成对产生的，同样他们也是成对复合的。载流子复合的真正机制和半导体的本质有关。在direct-bandgap半导体中，复合特别简单。当电子和空穴碰撞时，电子就掉进了空穴里，被打破的共价键也就修好了。电子获得的能量作为光子辐射出去。（.4A）.当在合适的激励下，direct-bandgap 半导体能发光。发光二极管(LED)靠电子空穴复合来发光。制作LED的半导体的bandgap energy决定了LED发出的光的颜色。同样的，用来制造黑暗中发光的画和塑料的磷也含有direct-bandgap半导体。磷一遇到光就会产生电子－空穴对。渐渐的在磷里面就积累了大量的电子和空穴。这些载流子的缓慢的复合过程就引起了发光。

硅和锗是indirect-bandgap半导体。在这些半导体里，电子和空穴的碰撞不会产生复合。电子可能立刻掉进空穴里，但量子机械因素会阻止光子的产生。由于电子不能散发出过剩的能量，它又立刻从晶体结构中被弹了出来，这样一来电子－空穴对就又形成了。在indirect-bandgap半导体中，复合只在晶体结构中特定的地方发生，这个地方称为traps，在这个地方，外来的原子破坏了晶体结构。（.4B）。Trap能很快地捕捉到一个路过的载流子。被捕捉到的载流子很容易复合，因为trap能吸收被释放的能量。
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.4 复合过程原理图：（A）直接复合中，一个光子λ产生一个空穴h 和一个电子e ，他们碰撞后又放射出一个光子；（B）间接复合中载流子被trap，T，捕捉到，在trap site中发生复合，并放射出热，Δ。

帮助载流子复合的traps被称为复合中心。半导体中的复合中心越多，载流子产生和复合之间所需的平均时间就越短。这个被称为载流子生命期的量就决定了一个半导体器件开关的速度。有时为了提高开关速度，复合中心就被故意添加到半导体里。金原子在硅里能形成高效的复合中心，所以高速二极管和晶体管有时是使用含有少量金元素的硅制成的。金不是能形成复合中心的元素。许多过渡金属比如铁和镍有相似的（如果没有金有效的话）效果。一些晶体缺陷也能作为复合中心。为了保证稳定的电学性能，固态器件必须由非常纯的单晶物质制造。