載子

Posted on 2016/10/31 in 物理, 現代科技簡介 Introductory Modern Technology, 現代科技簡介 Introductory Modern Technology with 尚無留言 11,736 views

載子(Carrier)
國立臺灣大學物理學系簡裕峰

載子的意思是載有某種物理特性、且可自由移動的粒子。在物理學當中，最常見是帶電的載子，金屬中的帶電載子是自由電子、電漿中的帶電載子是電離氣體、水溶液中的帶電載子是離子。而載子這個名詞最常出現是在半導體物理中，半導體中的載子分為兩種：一種是帶負電的載子，稱為電子，另一種是帶正電的載子，稱為電洞。

電子是組成原子的粒子，是可以經由實驗觀測到的物質。在半導體中，位於傳導帶上、能量足以自由移動的電子才稱的上是載子，位於價帶、不能自由移動的電子就不能稱為載子。而電洞可以想像成電子「經過時會掉進去的洞」，它是由於材料中的電子從價帶躍遷到傳導帶上時，會在價帶上留下一個帶正電的空位（如圖一），當傳導帶上的電子在移動時，可以看成是價帶上「帶正電的空位」在做相對運動（如圖二），因此電洞不是一個真正的粒子，它是一個為了方便解釋現象而創造的一個名詞。

圖一、電子躍遷。（本文作者簡裕峰繪）

圖二、電洞移動的概念。（本文作者簡裕峰繪）

在此有一個需要注意的地方，所謂價帶與傳導帶指的是電子能量上的不同，當一個電子從價帶跳到傳導帶，它只是具有的能量變多而已，在空間位置上並沒有改變。如果一個能量已經在傳導帶的電子沒有移動到其他地方，它很快地就會在原地與先前所留下帶正電的空位（電洞）再次結合，結合後發生的事，最後一段後會說明。

載子有多數和少數的差別。多數載子亦即半導體材料中佔多數的載子，而少數載子即佔少數者。多數載子的種類是判斷半導體為 n 型或 p 型的關鍵。當在矽中摻雜 IIIA 族的元素時，因為 IIIA 族元素只有三個價電子，使得鄰近的矽不滿足八隅體規則，誘導附近已形成共價鍵的電子來填補，填補之後會在原先位置留下一個帶正電的空位（如圖三）。因此摻雜 IIIA 族元素的矽半導體其多數載子為帶正電 (positive) 的電洞，是為 p 型半導體。相反地，當在矽中摻雜 VA 族元素時，因為 VA 族元素有五個價電子，使得鄰近的矽不滿足八隅體規則，多了一個不被共價鍵束縛、可以自由移動的電子（如圖四）。因此摻雜 VA 族元素的矽半導體其多數載子為帶負電 (negative) 的電子，是為 n 型半導體。有一個需要注意的地方是，p 型半導體中依舊有電子的存在、n 型半導體中依舊有電洞的存在，它們只是比較少而已。這是因為材料本身會因為熱能產生電子躍遷、形成電子電洞對。

圖三、p 型半導體價鍵示意圖。（本文作者簡裕峰繪）

圖四、n 型半導體價鍵示意圖。（本文作者簡裕峰繪）

載子的應用十分廣泛。由於載子帶電且可自由移動的特性，載子的存在是使半導體更容易導電的關鍵。而當半導體中，傳導帶上的電子躍遷回價帶上、與價帶上的電洞結合時，這兩個載子就會消失，變回原本連結原子與原子的共價鍵，並且放出能量，此能量有時以熱量的形式放出，就成了半導體元件運作時所產生的廢熱；當這個能量以光的形式放出，就成了 LED 燈，若半導體透過適當的製程，這種光能的釋放還可做成雷射，就成了鼎鼎有名的半導體雷射。

參考文獻