图2-19 硅晶体两维共价键 示意图的电子-空穴对

一般都认为在半导体材料中有两种载流子，即电子与空穴。电子和空穴的定向移动才能构成电流，即构成半导体的导电行为。可以从共价键和能带两种方式来分析电子与空穴的形成以及它们的导电行为，前者更具有直观性，后者着重分析电子与空穴具有的能量。

仍以硅半导体为例，一般电子都处于可能的最低能态，即位于半导体的共价键上，或者说位于价带中。在非绝对零度的温度下，电子会获得从晶格传递过来的热能。这些能量可以将电子从共价键上电离出来，或者从价带电离到导带，这样就在共价键留下一个空穴（准确地说是激发，不是严格的电离，参见前面章节）。电子和空穴一起称作电子-空穴对。如果电子-空穴对是通过吸收热能产生的，就把这个过程称为热产生，如果激发的能量是由光子提供的，这个过程就叫做光产生。所形成的电子-空穴对在硅晶体两维共价键示意图中形式如图2-19所示。

为分析方便，图2-19中区分了价带仍受约束电子、导带中的电子以及价带上的空穴。这里需要说明如下几点：

1）这个被电离出来的电子是准自由的，其仍受到晶格的限制。

2）共价键上的电子被电离到导带后，会导致原子核的正电荷不能被电子的负电荷相抵消，所以可认为空穴带正电。

3）导带中的电子以及价带上的空穴参与半导体的导电行为，价带受约束电子不直接参与半导体的导电。

在如图2-20所示的示意图中，以一种直观的方式来解释电子和空穴的导电行为。在电场的作用下，导带中电子可以直接在晶格中产生定向运动，而价带中的空穴可以由其他共价键上的电子进行填补，看上去也形成了定向移动。简单来说，电子-空穴的导电行为分别是由导带中的电子和价带中的电子定向移动形成的。引入“空穴”一词，避免了区分不同能带上电子的麻烦，此时电子一般特指在导带的电子。

图2-20 电子与空穴的导电行为

从晶体能带的角度看，使电子从E_V电离到E_C的能被价电子吸收的最小能量是E_g，即禁带宽度。如果价带是满的情况下，提供的能量小于禁带宽度，那么电子就不能吸收，因为如果吸收这一能量，电子的终态将处于禁带中，而禁带中没有允许能态，所以电子只能停留在价带。值得注意的是，在绝对零度时是不会有电流的，因为所有的状态都是填满的，没有空的状态可以接纳移动过来的电子，所以电子就无法移动了。图2-21是电子从价带被电离到导带形成电子-空穴对的示意图。(www.daowen.com)

同样的空穴在价带的运动如图2-22所示，同上面的分析一样，空穴本身并不移动，但是，与之相邻的电子占据了这个空态，就会在电子刚才的位置留下一个空态。如果一个向左边移动过来的电子占据了空态，就等效于空穴向右边移动了一步。

图2-23显示了电子空穴对产生之后在能带图中的情况。位于能带的边界的一个电子或一个空穴是具有最小的能量（否则在另外一个能带中）。当电子具有更多的能量时，它就在导带中处于更高的位置；而空穴具有更多的能量时，它就在价带中处于更低的位置，即离E_V更远的位置。

在室温条件下，由于热扰动，只有少数电子被激发到导带，每一个激发到导带的电子最终都会重新回到价带的空态上，以热或光的形式将多余的能量释放，如图2-24所示。电子处于导带上的平均时间叫做“电子寿命”，电子寿命的范围根据材料的不同在10^-10～10^-3s之间。

图2-21 能带图上电子-空穴对的形成

图2-22 价带中空穴的移动

图2-23 电子和空穴在能带上的位置

图2-24 室温下电子在两能带间的运动