導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶.docx

【半導(dǎo)體】（1） 導(dǎo)帶conduction band A解釋導(dǎo)帶是由自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的電子所具有的能量范圍。 對(duì)于金屬，所有價(jià)電子所處的能帶就是導(dǎo)帶。 對(duì)于半導(dǎo)體，所有價(jià)電子所處的能帶是所謂價(jià)帶，比價(jià)帶能量更高的能帶是導(dǎo)帶。在絕對(duì)零度溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶(valence band)是滿帶(見能帶理論)，受到光電注入或熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過禁帶(forbidden band/band gap)進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后即成為導(dǎo)電的能帶導(dǎo)帶。B導(dǎo)帶的涵義：導(dǎo)帶是半導(dǎo)體最外面（能量最高）的一個(gè)能帶，是由許多準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)組成的；是半導(dǎo)體的一種載流子自由電子（簡稱為電子）所處的能量范圍。導(dǎo)帶中往往只有少量的電子，大多數(shù)狀態(tài)（能級(jí)）是空著的，則在外加作用下能夠發(fā)生狀態(tài)的改變，故導(dǎo)帶中的電子能夠?qū)щ?，即為載流子。 導(dǎo)帶底是導(dǎo)帶的最低能級(jí)，可看成是電子的勢(shì)能，通常，電子就處于導(dǎo)帶底附近；離開導(dǎo)帶底的能量高度，則可看成是電子的動(dòng)能。當(dāng)有外場(chǎng)作用到半導(dǎo)體兩端時(shí)，電子的勢(shì)能即發(fā)生變化，從而在能帶圖上就表現(xiàn)出導(dǎo)帶底發(fā)生傾斜；反過來，凡是能帶發(fā)生傾斜的區(qū)域，就必然存在電場(chǎng)（外電場(chǎng)或者內(nèi)建電場(chǎng)）。 導(dǎo)帶底到真空中自由電子能級(jí)的間距，稱為半導(dǎo)體的親和能，即是把一個(gè)電子載流子從半導(dǎo)體內(nèi)部拿到真空中去所需要的能量。這是半導(dǎo)體的一個(gè)特征參量。（2）價(jià)帶與禁帶價(jià)帶（valence band）或稱價(jià)電帶，通常是指半導(dǎo)體或絕緣體中，在0K時(shí)能被電子占滿的最高能帶。對(duì)半導(dǎo)體而言，此能帶中的能級(jí)基本上是連續(xù)的。全充滿的能帶中的電子不能在固體中自由運(yùn)動(dòng)。但若該電子受到光照，它可吸收足夠能量而跳入下一個(gè)容許的最高能區(qū)，從而使價(jià)帶變成部分充填，此時(shí)價(jià)帶中留下的電子可在固體中自由運(yùn)動(dòng)。價(jià)帶中電子的自由運(yùn)動(dòng)對(duì)于與晶體管有關(guān)的現(xiàn)象是很重要的。 被價(jià)電子占據(jù)的允帶（低溫下通常被價(jià)電子占滿）。禁帶，英文名為：Forbidden Band 在能帶結(jié)構(gòu)中能態(tài)密度1為零的能量區(qū)間。常用來表示價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能態(tài)密度為零的能量區(qū)間。禁帶寬度的大小決定了材料是具有半導(dǎo)體性質(zhì)還是具有絕緣體性質(zhì)。半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，當(dāng)溫度升高時(shí)，電子可以被激發(fā)傳到導(dǎo)帶，從而使材料具有導(dǎo)電性。絕緣體的禁帶寬度很大，即使在較高的溫度下，仍是電的不良導(dǎo)體。（3）導(dǎo)帶與價(jià)帶的關(guān)系：對(duì)于未摻雜的本征半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中的電子是由它下面的一個(gè)能帶（即價(jià)帶）中的電子（價(jià)電子）躍遷上來而形成的，這種產(chǎn)生電子（同時(shí)也產(chǎn)生空穴半導(dǎo)體的另外一種載流子）的過程，稱為本征激發(fā)。在本征激發(fā)過程中，電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，則總是有“電子濃度=空穴濃度”。這實(shí)際上就是本征半導(dǎo)體的特征，因此可以說，凡是兩種載流子濃度相等的半導(dǎo)體，就是本征半導(dǎo)體。這就意味著，不僅未摻雜的半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體，就是摻雜的半導(dǎo)體，在一定條件下（例如高溫下）也可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸菊靼雽?dǎo)體。 價(jià)帶的能量低于導(dǎo)帶，它也是由許多準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)組成的。但是價(jià)帶中的許多電子（價(jià)電子）并不能導(dǎo)電，而少量的價(jià)電子空位空穴才能導(dǎo)電，故稱空穴是載流子?？昭ǖ淖畹湍芰縿?shì)能，也就是價(jià)帶頂，通?？昭ň吞幱趦r(jià)帶頂附近。 價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底之間的能量差，就是所謂半導(dǎo)體的禁帶寬度。這就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小平均能量。這是半導(dǎo)體最重要的一個(gè)特征參量。 對(duì)于摻雜半導(dǎo)體，電子和空穴大多數(shù)是由雜質(zhì)來提供的。能夠提供電子的雜質(zhì)稱為施主；能夠提供空穴的雜質(zhì)稱為受主。施主的能級(jí)處在靠近導(dǎo)帶底的禁帶中；受主的能級(jí)處在靠近價(jià)帶頂?shù)慕麕е?。能隙能隙（Bandgap energy gap）或譯作能帶隙，在固態(tài)物理學(xué)中泛指半導(dǎo)體或是絕緣體的價(jià)帶（valence band）頂端至傳導(dǎo)帶（conduction band）底端的能量差距。 能帶理論是研究固體中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種近似理論。固體由原子組成，原子又包括原子實(shí)和最外層電子，它們均處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為使問題簡化，首先假定固體中的原子實(shí)固定不動(dòng)，并按一定規(guī)律作周期性排列，然后進(jìn)一步認(rèn)為每個(gè)電子都是在固定的原子實(shí)周期勢(shì)場(chǎng)及其他電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這就把整個(gè)問題簡化成單電子問題。能帶理論就屬這種單電子近似理論，它首先由F.布洛赫和L.-N.布里淵在解決金屬的導(dǎo)電性問題時(shí)提出。理論應(yīng)用對(duì)一個(gè)本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）而言，其導(dǎo)電性與能隙的大小有關(guān)，只有獲得足夠能量的電子才能從價(jià)帶被激發(fā)，跨過能隙并躍遷至傳導(dǎo)帶。利用費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)（Fermi-Dirac Statistics）可以得到電子占據(jù)某個(gè)能階（energy state）E0的機(jī)率。又假設(shè)E0 EF，EF是所謂的費(fèi)米能階（Fermi level），電子占據(jù)E0的機(jī)率可以利用波茲曼近似簡化為： 在上式中，Eg是能隙的寬度、k是波茲曼常數(shù)（Boltzmanns Constant），而T則是溫度。 半導(dǎo)體材料的能隙可以利用一些工程手法加以調(diào)整，特別是在化合物半導(dǎo)體中，例如控制砷化鎵鋁（AlGaAs）或砷化鎵銦（InGaAs）各種元素間的比例，或是利用如分子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy, MBE）成長出多層的磊晶材料。這類半導(dǎo)體材料在高速半導(dǎo)體元件或是光電元件，如異質(zhì)接面雙載子晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor, HBT）、雷射二極管，或是太陽能電池上已經(jīng)成為主流。固體的能帶固體的導(dǎo)電性能由其能帶結(jié)構(gòu)決定。對(duì)一價(jià)金屬，價(jià)帶是未滿帶，故能導(dǎo)電。對(duì)二價(jià)金屬，價(jià)帶是滿帶，但禁帶寬度為零，價(jià)帶與較高的空帶相交疊，滿帶中的電子能占據(jù)空帶，因而也能導(dǎo)電，絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相似，價(jià)帶為滿帶，價(jià)帶與空帶間存在禁帶。無機(jī)半導(dǎo)體的禁帶寬度從0.12.0eV，-共軛聚合物的能帶隙大致在1.44.2eV,絕緣體的禁帶寬度大于4.5eV。在任何溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，滿帶中的電子總會(huì)有一些具有足夠的能量激發(fā)到空帶中，使之成為導(dǎo)帶。由于絕緣體的禁帶寬度較大，常溫下從滿帶激發(fā)到空帶的電子數(shù)微不足道，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電性能差。半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，滿帶中的電子只需較小能量就能激發(fā)到空帶中，宏觀上表現(xiàn)為有較大的電導(dǎo)率。 能帶理論在闡明電子在晶格中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、固體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、合金的某些