最後更新:2026年10月8日基礎概念檢測・量測中國大陸:载流子浓度

載子濃度是什麼

Carrier Concentration

載子濃度是半導體單位體積內自由電子或電洞的數量(cm⁻³)。本質矽在室溫下僅約1×10¹⁰cm⁻³,不到矽原子密度的1兆分之1,這就是純矽幾乎不導電的原因。實用元件以摻雜將其調整在10¹⁵~10²⁰cm⁻³,而在熱平衡下 np = n_i² 恆成立。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

載子濃度是半導體單位體積中存在的自由電子或電洞的數量,單位為 cm⁻³。電子濃度記為 n,電洞濃度記為 p。與電阻率、遷移率並列,是表徵半導體材料最基本的物理量之一。

在不含雜質的本質半導體中,電子與電洞成對產生,因此 n = p = n_i(本質載子濃度)。矽的 n_i 在室溫(300K)下約為1×10¹⁰cm⁻³,與矽原子密度5×10²²cm⁻³相比,不到1兆分之1。純矽幾乎不導電,原因就在此。此外在熱平衡狀態下,無論是否摻雜,np = n_i² 的關係(質量作用定律)恆成立。

實用半導體的載子濃度由摻雜決定。加入 N_d 施體的 n 型,若假設常溫下完全游離,可近似為 n ≒ N_d;加入受體的 p 型則可近似為 p ≒ N_a。元件使用的範圍大致為10¹⁵~10²⁰cm⁻³,源極、汲極等需要低電阻的區域做成高濃度,功率元件耐壓層等需要擴大空乏區的區域則做成低濃度。

溫度相依性分為3個區域:極低溫下摻雜物無法完全游離、載子被凍結的區域(freeze-out),常溫附近由摻雜濃度決定、不隨溫度變化而平坦的外質區域,以及高溫下熱激發產生的本質載子超過雜質來源載子的本質區域。元件工作溫度的上限,取決於進入這個本質區域的溫度。能隙較寬的 SiC 與 GaN 之所以耐高溫工作,是因為本質載子開始增加的溫度較高。

量測有多種手法。霍爾效應量測可直接求出電性活化載子的濃度,C-V 量測則由空乏區的擴展求出深度方向的分布。SIMS 也會使用,但它量測的是化學上的摻雜物原子濃度,需注意它也會計入未進入晶格位置、在電性上不起作用的原子。

載子濃度的常見問題

本質載子濃度是什麼?
是在不含雜質的半導體中,因熱激發產生的電子、電洞濃度。矽在室溫(300K)下約為1×10¹⁰cm⁻³,不到矽原子密度5×10²²cm⁻³的1兆分之1。純矽幾乎不導電,原因就在此。
載子濃度如何隨溫度變化?
分為3個區域。極低溫下摻雜物無法完全游離、載子被凍結;常溫附近由摻雜濃度決定、不隨溫度變化而平坦;高溫下熱激發產生的本質載子超過雜質來源的載子。元件工作溫度的上限,取決於進入這個本質區域的溫度。
以 SIMS 量測的摻雜濃度與載子濃度相同嗎?
不相同。SIMS 量測的是化學上的摻雜物原子濃度,也會計入未進入晶格位置、在電性上不起作用的原子。要得知電性活化載子的濃度,需使用霍爾效應量測或 C-V 量測,兩者之比即為活化率。

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