半导体中的两种载流子-电子和空穴是如何产生和运动的？

图1 硅原子单晶体的共价键结构

        图中，硅原子外层的四个电子分别与四周相遴的硅原子中的一个电子形成共价键，该电子既围绕自身的原子核运动，同时又围绕相邻位置上的原子核运动，即该两个电子为相邻两原子共有，所以称价电子。因此，硅单晶体（纯净的硅）在绝对零度时，这种原子结构非常稳定，没有能够自由活动的载流子，所以它的特性如同绝缘体一样不导电。

        当在室温下或受到外界加热后，外界的能量将打破原先的共价健结构，使价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在该共价键的位置上留下一个空位，该空位也称空穴，这个过程称为“热激发”。可见，受热激发后，产生一个自由电子的同时，也就产生一个空穴，如图2所示中成对出现的电子和空穴哪样。所以，热激发后将产生两种载流子，电子载流子和空穴载流子。如果该半导体受到外加电场的作用，半导体中的电子载流子就会因电场力的作用而作定向运动，从而形成电子流电流。

图2 硅原子单晶体热激发产生的电子空穴对

        那么空穴载流子是如何导电的呢？通常，一个原子核所带的正电荷与原子核外层电子所带的负电荷在数量上是相等的，即整个原子呈现电中性，而不带电。当受热激发使共价键上的电子被激发成了自由电子后，就不受原来原子核的束缚。跑掉了一个电子就相当于失去了一个单位的负电荷，破坏了原来的电中性，这就相当于留下的空穴带上了一个正电荷。

        在硅晶体原子结构中的电子，不管是受哪个原子核的束缚，它所具有的能级都是相同的。因此当共价键中出现一个空穴后，与该空穴相邻的共价键上的电子就非常容易跑到这个空位置中，使得该相邻的共价键上形成一个空穴，其效果好象空穴从原来的位置移动到了相邻的共价键上去一样。然后新的空穴又会被附近的共价键上的价电子填充。如此不断地重复，就相当于这个带正电荷的空穴在晶体中运动一样。

        由于晶体中填补空穴的电子来自其它相邻的共价键中的价电子，这些电子在外电场E的作用下逆电场运动，则带正电的空穴将顺电场而运动，也就形成了空穴电流了。