在介绍内部自由电子的多数载流子前,我们需要了解半导体材料的一些特点。半导体材料是介于导体和绝缘体之间的一类材料,其导电性能介于导体和绝缘体之间。其主要特点是在材料中,价带和导带之间存在带隙。这个带隙需要克服,才能让自由电子从价带进入导带,发挥导电作用。
在半导体材料中,自由电子数量和空穴数量相等,但是在实际应用中,我们往往需要一种电子或者空穴更多的载流子,这样才能获得更好的导电性能。在一般情况下,半导体中的内部自由电子是多数载流子。
一个半导体材料具有导电能力的关键是导带和价带之间的带隙,也称为禁带宽度。禁带宽度越小,材料导电性能就越好。当禁带宽度小到一定程度,就会出现材料在室温下的自发导电。如果禁带宽度小于0.5电子伏特(eV),那么半导体材料就很可能是n型(所谓n型半导体指的是自由电子较多的半导体)半导体。因此,禁带宽度对材料的载流子类型有很大的影响。
在半导体材料制备过程中,往往会通过杂质掺杂来改变材料的导电性能。掺入一种杂质会在半导体中形成一个杂质能级,并且可以把该杂质能级放到价带或导带附近。当杂质能级处于价带下方时,它可以接受来自价带的电子而变成负离子,在接受电子后,杂质离子周围就会有很多自由电子出现,从而形成n型半导体。反之,当杂质能级处于导带上方时,就会形成p型半导体。所以,杂质掺杂也是影响半导体材料载流子类型的因素之一。
一般情况下,在半导体材料中内部自由电子是多数载流子的原因十分复杂,除了上面提到的禁带宽度和杂质掺杂的影响外,还有其他因素的影响,例如晶格缺陷、温度等。但是总体来说,通过半导体材料的几个基本特征,我们能够发现内部自由电子的多数载流子是一个比较普遍的现象。