载流子

在物理学中，电荷载体是可以自由移动、携带电荷的粒子或准粒子，特别是在电导体中携带电荷的粒子。 例如电子、离子和空穴。 该术语在固态物理学中最常用。 在导电介质中，电场可以对这些自由粒子施加力，导致粒子在介质中进行净运动； 这就是构成电流的原因。 在导电介质中，粒子用于携带电荷：

• 在许多金属中，电荷载流子是电子。 每个原子的一个或两个价电子能够在金属的晶体结构中自由移动。 自由电子称为传导电子，自由电子云称为费米气体。 许多金属具有电子和空穴带。 在某些情况下，多数载流子是空洞。
• 在电解质（例如盐水）中，电荷载体是离子，它们是获得或失去电子的原子或分子，因此它们带电。 获得电子而带负电的原子称为阴离子，失去电子而带正电的原子称为阳离子。 离解液体的阳离子和阴离子也充当熔融离子固体中的电荷载体（例如，参见 Hall-Héroult 过程，以了解熔融离子固体的电解示例）。 质子导体是以正氢离子为载体的电解导体。
• 在等离子体中，一种带电气体，存在于穿过空气、霓虹灯、太阳和星星的电弧中，电离气体的电子和阳离子充当电荷载体。
• 在真空中，自由电子可以充当电荷载体。 在称为真空管（也称为阀门）的电子元件中，移动电子云是由加热的金属阴极通过称为热电子发射的过程产生的。 当施加足够强的电场以将电子吸引到束中时，这可能被称为阴极射线，并且是直到 2000 年代广泛用于电视和计算机显示器的阴极射线管显示器的基础。</li >
• 在用于制造晶体管和集成电路等电子元件的材料半导体中，可能存在两种类型的电荷载流子。 在 p 型半导体中，带正电荷的称为电子空穴的有效粒子穿过晶格，产生电流。 实际上，空穴是半导体价带电子群中的电子空位，并且被视为电荷载流子，因为它们是可移动的，从一个原子位置移动到另一个原子位置。 在 n 型半导体中，导带中的电子穿过晶体，产生电流。

在某些导体中，例如离子溶液和等离子体，正电荷载流子和负电荷载流子共存，因此在这些情况下，电流由两种沿相反方向移动的载流子组成。 在其他导体中，例如金属，只有一种极性的载流子，因此它们中的电流仅由沿一个方向移动的载流子组成。

半导体中有两种公认的载流子类型。 一种是电子，它带有负电荷。 此外，将价带电子群（空穴）中的移动空位视为第二类电荷载流子是很方便的，它携带与电子大小相等的正电荷。

当一个电子遇到一个空穴时，它们会重新结合，这些自由载流子会有效地消失。 释放的能量可以是热能，加热半导体（热复合，半导体废热的来源之一），也可以是光子释放的能量（光学复合，用于 LED 和半导体激光器）。 复合是指从价带激发到导带的电子回落到价带中的空态，称为空穴。 空穴是电子在获得一些能量通过能隙后被激发时在价带中产生的空态。

更丰富的电荷载流子称为多数载流子，主要负责一块半导体中的电流传输。 在 n 型半导体中它们是电子，而在 p 型半导体中它们是空穴。 数量较少的载流子称为少数载流子； 在 n 型半导体中它们是空穴，而在 p 型半导体中它们是电子。

在不含任何杂质的本征半导体中，两种载流子的浓度在理想情况下是相等的。 如果本征半导体掺杂有施主杂质，则多数载流子。