1、1半导体禁带宽度目录（1）能带和禁带宽度的概念： （2）禁带宽度的物理意义：（ 1） 能 带 和 禁 带 宽 度 的 概 念 ：对 于 包 括 半 导 体 在 内 的 晶 体 ， 其 中 的 电 子 既 不 同 于 真 空 中 的 自 由 电 子 ，也 不 同 于 孤 立 原 子 中 的 电 子 。 真 空 中 的 自 由 电 子 具 有 连 续 的 能 量 状 态 ， 即 可取 任 何 大 小 的 能 量 ； 而 原 子 中 的 电 子 是 处 于 所 谓 分 离 的 能 级 状 态 。 晶 体 中 的电 子 是 处 于 所 谓 能 带 状 态 ， 能 带 是 由 许 多 能 级 组 成 的
2、 ， 能 带 与 能 带 之 间 隔离 着 禁 带 ， 电 子 就 分 布 在 能 带 中 的 能 级 上 ， 禁 带 是 不 存 在 公 有 化 运 动 状 态 的能 量 范 围 。 半 导 体 最 高 能 量 的 、 也 是 最 重 要 的 能 带 就 是 价 带 和 导 带 。 导 带底 与 价 带 顶 之 间 的 能 量 差 即 称 为 禁 带 宽 度 （ 或 者 称 为 带 隙 、 能 隙 ） 。 禁 带 中 虽 然 不 存 在 属 于 整 个 晶 体 所 有 的 公 有 化 电 子 的 能 级 ， 但 是 可 以 出现 杂 质 、 缺 陷 等 非 公 有 化 状 态 的 能 级 束
3、 缚 能 级 。 例 如 施 主 能 级 、 受 主能 级 、 复 合 中 心 能 级 、 陷 阱 中 心 能 级 、 激 子 能 级 等 。 顺 便 也 说 一 句 ， 这 些 束缚 能 级 不 只 是 可 以 出 现 在 禁 带 中 ， 实 际 上 也 可 以 出 现 在 导 带 或 者 价 带 中 ， 因为 这 些 能 级 本 来 就 不 属 于 表 征 晶 体 公 有 化 电 子 状 态 的 能 带 之 列 。 （ 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
4、 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 （ 称 为 价 电 子 ） ， 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 自 由 空 穴 后 ， 才 能 够 导 电 。 空 穴 实 际 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
5、 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 。 Si 的 原 子 序 数 比 Ge 的 小 ， 则 Si 的 价 电 子 束 缚 得 较 紧 ， 所 以 Si 的 禁带 宽 度 比 Ge 的 要 大 一 些 。 GaAs 的 价 键 还 具 有 极 性 ， 对 价 电 子 的 束 缚 更 紧 ，所 以 GaAs 的 禁 带 宽 度 更 大 。 GaN、 SiC 等 所 谓 宽 禁 带 半 导 体 的 禁 带 宽 度 更 要大 得 多 ， 因 为 其 价
6、 键 的 极 性 更 强 。 Ge、 Si、 GaAs、 GaN 和 金 刚 石 的 禁 带 宽度 在 室 温 下 分 别 为 0.66eV、 1.12 eV、 1.42 eV、 3.44 eV 和 5.47 eV。 金 刚 石 在 一 般 情 况 下 是 绝 缘 体 ， 因 为 碳 （ C） 的 原 子 序 数 很 小 ， 对 价 电子 的 束 缚 作 用 非 常 强 ， 价 电 子 在 一 般 情 况 下 都 摆 脱 不 了 价 键 的 束 缚 ， 则 禁 带宽 度 很 大 ， 在 室 温 下 不 能 产 生 出 载 流 子 ， 所 以 不 导 电 。 不 过 ， 在 数 百 度 的 高温
7、 下 也 同 样 呈 现 出 半 导 体 的 特 性 ， 因 此 可 用 来 制 作 工 作 温 度 高 达 500oC 以上 的 晶 体 管 。 作 为 载 流 子 的 电 子 和 空 穴 ， 分 别 处 于 导 带 和 价 带 之 中 ； 一 般 ， 电 子 多 分布 在 导 带 底 附 近 （ 导 带 底 相 当 于 电 子 的 势 能 ） ， 空 穴 多 分 布 在 价 带 顶 附 近（ 价 带 顶 相 当 于 空 穴 的 势 能 ） 。 高 于 导 带 底 的 能 量 就 是 电 子 的 动 能 ， 低 于 价带 顶 的 能 量 就 是 空 穴 的 动 能 。 （ 3） 半 导 体
8、禁 带 宽 度 与 温 度 和 掺 杂 浓 度 等 有关 ： 半 导 体 禁 带 宽 度 随 温 度 能 够 发 生 变 化 ， 这 是 半 导 体 器 件 及 其 电 路 的 一个 弱 点 （ 但 在 某 些 应 用 中 这 却 是 一 个 优 点 ） 。 半 导 体 的 禁 带 宽 度 具 有 负 的 温度 系 数 。 例 如 ， Si 的 禁 带 宽 度 外 推 到 0K 时 是 1.17eV， 到 室 温 时 即 下 降 到1.12eV。 2如 果 由 许 多 孤 立 原 子 结 合 而 成 为 晶 体 的 时 候 ， 一 条 原 子 能 级 就 简 单 地 对应 于 一 个 能 带
9、， 那 么 当 温 度 升 高 时 ， 晶 体 体 积 膨 胀 ， 原 子 间 距 增 大 ， 能 带 宽度 变 窄 ， 则 禁 带 宽 度 将 增 大 ， 于 是 禁 带 宽 度 的 温 度 系 数 为 正 。 但 是 ， 对 于 常 用 的 Si、 Ge 和 GaAs 等 半 导 体 ， 在 由 原 子 结 合 而 成 为 晶体 的 时 候 ， 价 键 将 要 产 生 所 谓 杂 化 （ s 态 与 p 态 混 合 sp3 杂 化 ） ， 结 果就 使 得 一 条 原 子 能 级 并 不 是 简 单 地 对 应 于 一 个 能 带 。 所 以 ， 当 温 度 升 高 时 ，晶 体 的 原
10、子 间 距 增 大 ， 能 带 宽 度 虽 然 变 窄 ， 但 禁 带 宽 度 却 是 减 小 的 负的 温 度 系 数 。 当 掺 杂 浓 度 很 高 时 ， 由 于 杂 质 能 带 和 能 带 尾 的 出 现 ， 而 有 可 能 导 致 禁 带宽 度 变 窄 。 禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度；对于 BJT，当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时，将会导致电流增益大大降低。半导体禁带宽度与晶格常数的关系（平行四边形法则）Xie Meng-xian（电子科大，成都市） 半导体禁带宽度就是价带电子依靠热激发而跃迁到导带所需要的最小能量，实际上
11、禁带宽度也就是价电子摆脱价键的束缚、成为自由电子所需要的最低能量。因此，价键越强的半导体，其禁带宽度也就必然越大。例如，Si 晶体中共价键的键能为 4eV/原子，金刚石（碳的一种晶体）中共价键的键能为 7.4eV/原子；它们的的禁带宽度则分别为 1.124eV 和 5.47eV（室温下） 。而价键强度与晶格常数有关，因为原子间距越小，原子之间的作用力也就越强。所以，晶格常数越小的半导体，其禁带宽度应该越大。在同一种类型的半导体中，这种规律确实存在，如图所示；并且在禁带宽度-晶格常数的坐标图上呈现为平行四边形型式的分布，这种关系特称为平行四边形法则。例如，在室温下，Si 和 Ge 晶体的晶格常数分别为 5.43102?和 5.64613?，相应的禁带宽度分别为 1.124eV 和 0.66eV。又如，在室温下，具有闪锌矿结构的-族化合物半导体GaAs、GaP、InP 和 InAs，它们的晶格常数分别为 5.6533?、5.4512?、5.8686?和 6.0584?，相应的禁带宽度分别为 1.42eV、2.26eV、1.35eV 和 0.36eV，它们在图上即构成一个平行四边形。
