本征半导体电子流动背后的科学原理

目录

1. 本征半导体

2. 空穴如何形成定向移动

3. 导体中为何没有空穴电流

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1. 本征半导体

本征半导体：将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。

由于相邻原子间的距离很小，因此相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。

晶体中的共价键有很强的结合力，当价电子从共价键中挣脱出来变成自由电子时，在共价键中留下一个空位置，称为空穴。原子失去一个电子而带正电，也就是空穴是带正电。

在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数量相等。若在本征半导体两端外加电场，则一方面自由电子的定向移动形成电子 电流，另一方面空穴的定向移动形成空穴电流。由于自由电子和空穴极性相反，所以它们的运动方向也是相反，本征半导体中的电流是两个电流之和。

2. 空穴如何形成定向移动

空穴的移动机制：空穴的移动实际上是通过价带中电子的跳跃来实现的。当一个电子从一个原子跳跃到相邻原子的空位时，原来的空位就被“填补”，而在电子原来的位置形成了一个新的空位，相当于原来的空位移动到了新的位置。这个过程可以想象成一排倒下的多米诺骨牌，每个骨牌倒下时，会推动下一个骨牌倒下，从而整个序列看起来像是在移动。空穴的移动可以看作是自由电子的相对运动。

3. 导体中为何没有空穴电流

实际上，导体中也可以存在空穴，但它们不是导电的主要载流子。导体的导电特性主要由自由电子决定，以下是几个原因：

• 高电子浓度：导体中的自由电子浓度非常高，这是因为导体的原子外层电子容易脱离原子核的束缚，形成可以自由移动的电子。这些自由电子是导体导电的主要载流子。

• 空穴的次要作用：虽然在某些情况下，空穴可以参与导电，但在典型的导体中，空穴的浓度远低于自由电子的浓度，因此它们对导电的贡献相对较小。

• 金属键合：在金属导体中，电子通过金属键合的方式在整个材料中自由移动。金属键合涉及的是离域电子，这些电子不属于任何一个特定的原子，而是在整个金属晶格中自由移动，形成电子海。这种电子的自由移动是金属导电的主要原因。

• 能带结构：在能带理论中，导体的能带结构中，价带和导带重叠或者价带已经完全填满且与导带接触，这意味着电子可以轻易地从价带跃迁到导带，形成大量的自由电子。

• 空穴的稳定性：在导体中，即使存在空穴，它们也很容易被周围的电子填补，因为自由电子的浓度很高。这使得空穴在导体中的稳定性较低，不易长时间存在。

因此导体中基本是自由电子为载流子，空穴所形成的电流可忽略不计

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