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1、禁带、价带和导带一、禁带、禁带宽度及其物理意义1.1基本信息禁带是指在能带结构中能态密度为零的能量区间。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。禁带宽度（Band gap）是指一个能带宽度（单位是电子伏特（ev）,固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是 一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成 为自由电子，就必须获得足够
2、能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。:o:o:o:o:+9* t：o：o：o：o：T例如：锗的禁带宽度为0.66ev ；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.46ev ；氧化亚铜的禁带宽度 为2.2eV。禁带非常窄的一般是金属，反之一般是绝缘体。半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。1.2禁带宽度的物理意义禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合 性质等有关。半导体价带中的大量电子都是价键上的电子1,不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即 本征激发）而产生出自由电子和空穴2，才能够导电。空穴实际
3、上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空 位（一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱 程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。1价电子，指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。主族元素的价电子就是主族元素原子 的最外层电子;过渡元素的价电子不仅是最外层电子，次外层电子及某些元素的倒数第三层电子也可成为价电子， 如有时也包括次外层的D电子，对于镧系元素，还有倒数第三层的F电子2自由电子和空穴称为载流子，在电场力作用下的运动称为漂移运动，载流子定向的漂移运动形成了电流。 要靠电子导电的半导体被称为N型半导体。N型
4、半导体中电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简 称少子）。主要靠空穴导电的半导体被称为P型半导体。P型半导体中空穴是多数载流子（简称多子）、自由电子 是少数载流子（简称少子）。将P型半导体与N型半导体通过物理、化学方法有机地结合为一体后，在交界处就 形成了 PN结，PN结具有非线性电阻的特性，可以制成二极管作整流器件，PN结是构成多种半导体器件的基础。二、价带价带（valence band或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子占满的取高能带。 价带电子被束缚在原子周围，而不像导体、半导体里导带的电子一样能够脱离原子晶格自由运动。在 某种材料的电子能带结构图像中，
5、价带位于导带的下方，在价带和导带的中间绝缘（绝缘体）或由能 隙（或称“禁带”）间隔，而在金属中，价带和导带之间没有能隙。注：上方两条白色带为没有电子填充的带，下面三条灰色带为充满电子的带，其中最高一条灰色带为价带，它与最低 一条白色带之间的空隙为能隙3InBandgapmetalsemiconductor insulator注：其中灰色带为导带，黑色带为价带，中间的虚线为费米能级。可见，金属没有能隙，而半导体和绝缘体均有能隙, 且后者的能隙大于前者。三、导带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
6、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 导带。对于未掺杂的本征半导体1导带中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（同时也产生空一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
7、载流子浓度相等的半导体，就是本征半导体。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。1完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体，而实际半导体不能绝对地纯净。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，空带中存在电子后成为导带 （conduction band），价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴hole），导带中的电子和价带中 的空穴合称为电子一
8、空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（free carrier），它们在外 电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子一空穴对的产生而形成 的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子一空穴对消失，称为复合（recombination）。复 合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下， 电子一空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的 电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子一空穴对，这时载流子浓度增加，电 导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小， 载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。
