半导体(导带价带禁带)

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1、【 半 导 体 】（ 1） 导带 conduction band A 解 释导 带 是 由 自 由 电 子 形 成 的 能 量 空 间 。 即 固 体 结 构 内 自 由 运 动 的 电 子 所 具有 的 能 量 范 围 。 对 于 金 属 ， 所 有 价 电 子 所 处 的 能 带 就 是 导 带 。 对 于 半 导 体 ， 所 有 价 电 子 所 处 的 能 带 是 所 谓 价 带 ， 比 价 带 能 量 更 高 的 能带 是 导 带 。 在 绝 对 零 度 温 度 下 ， 半 导 体 的 价 带 (valence band)是 满 带 (见能 带 理 论 )， 受 到 光 电 注 入 或

2、 热 激 发 后 ， 价 带 中 的 部 分 电 子 会 越 过 禁 带(forbidden band/band gap)进 入 能 量 较 高 的 空 带 ， 空 带 中 存 在 电 子 后 即 成为 导 电 的 能 带 导 带 。B 导 带 的 涵 义 ：导 带 是 半 导 体 最 外 面 （ 能 量 最 高 ） 的 一 个 能 带 ， 是 由 许 多 准 连 续 的 能 级组 成 的 ； 是 半 导 体 的 一 种 载 流 子 自 由 电 子 （ 简 称 为 电 子 ） 所 处 的 能 量 范围 。 导 带 中 往 往 只 有 少 量 的 电 子 ， 大 多 数 状 态 （ 能 级 ）

3、是 空 着 的 ， 则 在 外 加作 用 下 能 够 发 生 状 态 的 改 变 ， 故 导 带 中 的 电 子 能 够 导 电 ， 即 为 载 流 子 。导 带 底 是 导 带 的 最 低 能 级 ， 可 看 成 是 电 子 的 势 能 ， 通 常 ， 电 子 就 处 于导 带 底 附 近 ； 离 开 导 带 底 的 能 量 高 度 ， 则 可 看 成 是 电 子 的 动 能 。 当 有 外 场作 用 到 半 导 体 两 端 时 ， 电 子 的 势 能 即 发 生 变 化 ， 从 而 在 能 带 图 上 就 表 现 出 导带 底 发 生 倾 斜 ； 反 过 来 ， 凡 是 能 带 发 生 倾

4、 斜 的 区 域 ， 就 必 然 存 在 电 场 （ 外 电场 或 者 内 建 电 场 ） 。导 带 底 到 真 空 中 自 由 电 子 能 级 的 间 距 ， 称 为 半 导 体 的 亲 和 能 ， 即 是 把一 个 电 子 载 流 子 从 半 导 体 内 部 拿 到 真 空 中 去 所 需 要 的 能 量 。 这 是 半 导 体 的 一个 特 征 参 量 。（ 2） 价带与禁带价带（valence band）或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中，在 0K时能被电子占满的最高能带。对半导体而言，此能带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能在固体中自由运动。但若该电子受到光照，它可吸

5、收足够能量而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，此时价带中留下的电子可在固体中自由运动。价带中电子的自由运动对于与晶体管有关的现象是很重要的。 被价电子占据的允带（低温下通常被价电子占满）。禁带，英文名为：Forbidden Band 在能带结构中能态密度 1为零的能量区间。常用来表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性。绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电的不良导体。对 于 未 掺 杂 的 本 征 半 导 体 ， 导 带 中

6、 的 电 子 是 由 它 下 面 的 一 个 能 带 （ 即 价带 ） 中 的 电 子 （ 价 电 子 ） 跃 迁 上 来 而 形 成 的 ， 这 种 产 生 电 子 （ 同 时 也 产 生空 穴 半 导 体 的 另 外 一 种 载 流 子 ） 的 过 程 ， 称 为 本 征 激 发 。 在 本 征 激 发过 程 中 ， 电 子 和 空 穴 是 成 对 产 生 的 ， 则 总 是 有 “电 子 浓 度 =空 穴 浓 度 ”。 这实 际 上 就 是 本 征 半 导 体 的 特 征 ， 因 此 可 以 说 ， 凡 是 两 种 载 流 子 浓 度 相 等 的 半导 体 ， 就 是 本 征 半 导 体

7、 。 这 就 意 味 着 ， 不 仅 未 掺 杂 的 半 导 体 是 本 征 半 导 体 ，就 是 掺 杂 的 半 导 体 ， 在 一 定 条 件 下 （ 例 如 高 温 下 ） 也 可 以 转 变 为 本 征 半 导 体 。价 带 的 能 量 低 于 导 带 ， 它 也 是 由 许 多 准 连 续 的 能 级 组 成 的 。 但 是 价 带 中的 许 多 电 子 （ 价 电 子 ） 并 不 能 导 电 ， 而 少 量 的 价 电 子 空 位 空 穴 才 能 导电 ， 故 称 空 穴 是 载 流 子 。 空 穴 的 最 低 能 量 势 能 ， 也 就 是 价 带 顶 ， 通 常空 穴 就 处

8、于 价 带 顶 附 近 。价 带 顶 与 导 带 底 之 间 的 能 量 差 ， 就 是 所 谓 半 导 体 的 禁 带 宽 度 。 这 就 是产 生 本 征 激 发 所 需 要 的 最 小 平 均 能 量 。 这 是 半 导 体 最 重 要 的 一 个 特 征 参 量 。 对 于 掺 杂 半 导 体 ， 电 子 和 空 穴 大 多 数 是 由 杂 质 来 提 供 的 。 能 够 提 供 电 子的 杂 质 称 为 施 主 ； 能 够 提 供 空 穴 的 杂 质 称 为 受 主 。 施 主 的 能 级 处 在 靠 近 导带 底 的 禁 带 中 ； 受 主 的 能 级 处 在 靠 近 价 带 顶

9、的 禁 带 中 。能隙能 隙 （ Bandgap energy gap） 或 译 作 能 带 隙 ， 在 固 态 物 理 学 中 泛 指 半导 体 或 是 绝 缘 体 的 价 带 （ valence band） 顶 端 至 传 导 带 （ conduction band） 底 端 的 能 量 差 距 。 能 带 理 论 是 研 究 固 体 中 电 子 运 动 规 律 的 一 种 近 似 理 论 。 固 体 由 原 子组 成 ， 原 子 又 包 括 原 子 实 和 最 外 层 电 子 ， 它 们 均 处 于 不 断 的 运 动 状 态 。 为 使问 题 简 化 ， 首 先 假 定 固 体 中 的

10、 原 子 实 固 定 不 动 ， 并 按 一 定 规 律 作 周 期 性 排 列 ，然 后 进 一 步 认 为 每 个 电 子 都 是 在 固 定 的 原 子 实 周 期 势 场 及 其 他 电 子 的 平 均 势场 中 运 动 ， 这 就 把 整 个 问 题 简 化 成 单 电 子 问 题 。 能 带 理 论 就 属 这 种 单 电 子 近似 理 论 ， 它 首 先 由 F.布 洛 赫 和 L.-N.布 里 渊 在 解 决 金 属 的 导 电 性 问 题 时 提出 。理 论 应 用对 一 个 本 征 半 导 体 （ intrinsic semiconductor） 而 言 ， 其 导 电 性

11、 与 能隙 的 大 小 有 关 ， 只 有 获 得 足 够 能 量 的 电 子 才 能 从 价 带 被 激 发 ， 跨 过 能 隙 并 跃迁 至 传 导 带 。 利 用 费 米 -狄 拉 克 统 计 （ Fermi-Dirac Statistics） 可 以 得 到电 子 占 据 某 个 能 阶 （ energy state） E0 的 机 率 。 又 假 设 E0 EF， EF 是所 谓 的 费 米 能 阶 （ Fermi level） ， 电 子 占 据 E0 的 机 率 可 以 利 用 波 兹 曼 近似 简 化 为 ： 在 上 式 中 ， Eg 是 能 隙 的 宽 度 、 k 是 波 兹

12、 曼 常 数 （ Boltzmanns Constant） ， 而 T 则 是 温 度 。 半 导 体 材 料 的 能 隙 可 以 利 用 一 些 工 程 手 法 加 以 调 整 ， 特 别 是 在 化 合 物 半导 体 中 ， 例 如 控 制 砷 化 镓 铝 （ AlGaAs） 或 砷 化 镓 铟 （ InGaAs） 各 种 元 素 间的 比 例 ， 或 是 利 用 如 分 子 束 磊 晶 （ Molecular Beam Epitaxy, MBE） 成 长 出多 层 的 磊 晶 材 料 。 这 类 半 导 体 材 料 在 高 速 半 导 体 元 件 或 是 光 电 元 件 ， 如 异 质接

13、 面 双 载 子 晶 体 管 （ Heterojunction Bipolar Transistor, HBT） 、 雷 射二 极 管 ， 或 是 太 阳 能 电 池 上 已 经 成 为 主 流 。固 体 的 能 带固 体 的 导 电 性 能 由 其 能 带 结 构 决 定 。 对 一 价 金 属 ， 价 带 是 未 满 带 ， 故 能导 电 。 对 二 价 金 属 ， 价 带 是 满 带 ， 但 禁 带 宽 度 为 零 ， 价 带 与 较 高 的 空 带 相 交叠 ， 满 带 中 的 电 子 能 占 据 空 带 ， 因 而 也 能 导 电 ， 绝 缘 体 和 半 导 体 的 能 带 结 构相

14、 似 ， 价 带 为 满 带 ， 价 带 与 空 带 间 存 在 禁 带 。 无 机 半 导 体 的 禁 带 宽 度 从0.1 2.0eV， - 共 轭 聚 合 物 的 能 带 隙 大 致 在 1.4 4.2eV,绝 缘 体 的 禁 带宽 度 大 于 4.5eV。 在 任 何 温 度 下 ， 由 于 热 运 动 ， 满 带 中 的 电 子 总 会 有 一 些 具有 足 够 的 能 量 激 发 到 空 带 中 ， 使 之 成 为 导 带 。 由 于 绝 缘 体 的 禁 带 宽 度 较 大 ，常 温 下 从 满 带 激 发 到 空 带 的 电 子 数 微 不 足 道 ， 宏 观 上 表 现 为 导

15、 电 性 能 差 。 半导 体 的 禁 带 宽 度 较 小 ， 满 带 中 的 电 子 只 需 较 小 能 量 就 能 激 发 到 空 带 中 ， 宏 观上 表 现 为 有 较 大 的 电 导 率 。 能 带 理 论 在 阐 明 电 子 在 晶 格 中 的 运 动 规 律 、 固体 的 导 电 机 构 、 合 金 的 某 些 性 质 和 金 属 的 结 合 能 等 方 面 取 得 了 重 大 成 就 ， 但它 毕 竟 是 一 种 近 似 理 论 ， 存 在 一 定 的 局 限 性 。 例 如 某 些 晶 体 的 导 电 性 不 能 用能 带 理 论 解 释 ， 即 电 子 共 有 化 模 型 和 单 电 子 近 似 不 适 用 于 这 些 晶 体 。 多 电 子理 论 建 立 后 ， 单 电 子 能 带 论 的 结 果 常 作 为 多 电 子 理 论 的 起 点 ， 在 解 决 现 代 复杂 问 题 时 ， 两 种 理 论 是 相 辅 相 成 的 。