说明：这篇文章华算科技系统阐述了载流子的基本概念、分类及其在能带结构中的行为机制。通过阅读，您将掌握电子和空穴作为载流子的核心特性，学会区分本征与外延激发载流子的形成方式，并理解能带位置对载流子动力学的影响，为您分析半导体器件工作原理和设计电子系统提供关键的理论基础。
什么是载流子
载流子是能带结构中的填充态与空态之间因能量跃迁而激发出的准粒子。在金属、半导体与绝缘体等材料体系中，价带与导带的电子填充情况不同，从而导致载流子的种类与行为也有所差异。通常载流子包括两类：一类为自由电子，另一类为空穴。
图1. 载流子传输机制。DOI: 10.1038/s41598-019-42060-w。
自由电子是指处于导带中、可以自由响应电场产生加速运动的电子，其能量高于费米能级。这些电子可脱离局域束缚态，在整个晶格中呈现近似自由的行为，因此可用近自由电子模型描述其运动学特性。
空穴则是由于价带中某一电子被激发至导带后在价带中留下的空态所体现的有效正电荷载体。尽管空穴不是实质的粒子，但在量子力学描述框架中，其行为可等效视为带正电的准粒子，具有确定的有效质量、动量与能量分布，其运动趋势与价带中电子的缺失行为相一致。
载流子的分类
按电荷极性分类：
从电荷属性角度出发，载流子可分为负载流子与正载流子，其电场响应方向与电流方向密切相关，是定义导电类型的基础指标。
负载流子主要指导带中的自由电子。这些电子源自价带跃迁或外延杂质激发，在外加电场下沿电场反方向迁移，形成由负载流子主导的电流。电子迁移过程受限于晶格结构、杂质散射与声子相互作用，其迁移率较高，因而在多数n型半导体中起主导输运作用。
正载流子则等效为空穴的运动行为。空穴作为价带电子跃迁后的空态，其运动方向与价带中缺失电子的迁移方向相反。由于空穴通常具有较大的有效质量与较低的迁移率，因此在p型半导体中其输运效率受到一定限制（图2）。
图2. 半导体中的载流子类型。
按激发方式分类：
依据载流子形成的起源，可将其分为内禀型与外延型两大类。这一区分反映了材料是否为纯净体系统，以及是否引入杂质调控其电荷输运能力。
内禀载流子是由半导体本身在热平衡条件下自发生成的电子–空穴对。在无掺杂条件下，当温度升高到足以激发价带电子跨越带隙跃迁至导带时，形成自由电子与空穴，其浓度与材料的带隙宽度呈指数关系。
外延载流子产生于杂质掺杂诱导的能级激发过程。通过向晶体中引入施主或受主杂质，分别在导带下方或价带上方形成浅能级态，使得激发电子或空穴的能量门槛显著降低。这种外延激发机制可以有效调控载流子浓度，提升器件导电性，并实现n型或p型导电调控（图3）。
图3. 杂质掺杂产生外延载流子。
按能带位置分类：
载流子在能带结构中的具体位置对其动能、有效质量与量子统计行为具有决定性影响。
导带载流子是指能量处于导带底部附近的电子。这类电子处于非束缚态，其能动性极强，且可以近似为自由电子处理。在多数情况下，导带底部可采用抛物线近似，其有效质量通过二阶色散关系导出，进而影响漂移速度与输运效率。
价带载流子即为空穴，其本质是价带中失去电子后的空态行为。这种缺失态在动力学上可等效为具有正电荷的准粒子，其运动方向与价带电子相反。由于价带顶部能带曲率方向与导带相反，因此空穴的有效质量通常较大，迁移率较低（图4）。
图4. 导带与价带的载流子工作方式。
【高端测试 找华算】
华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！
🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
👉立即预约，抢占发表先机！
