禁帶

概念解釋

對於絕緣體，分隔導帶和滿帶的禁頻寬度較大，激發電子需要較大的能量，因此激發電子的數目就十分少，以致所引起的導電作用在實際中可以忽略。對於半導體，分隔導帶與滿帶的禁頻寬度較小，激發電子的數目較多，就可以導電。

在能帶結構中能態密度為零的能量區間。常用來表示價帶和導帶之間的能量範圍。禁頻寬度的大小決定了材料是半導體還是絕緣體。半導體的禁頻寬度較小，溫度升高，電子被激發傳到導帶，具有導電性。絕緣體的禁頻寬度很大，即使在較高的溫度下，仍是不良導體。

禁帶的寬度

禁頻寬度是半導體的一個重要特徵參量，其大小主要決定於半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。

半導體價帶中的大量電子都是價鍵上的電子（稱為價電子），不能夠導電，即不是載流子。只有當價電子躍遷到導帶（即本徵激發）而產生出自由電子和自由空穴後，才能夠導電。空穴實際上也就是價電子躍遷到導帶以後所留下的價鍵空位（一個空穴的運動就等效於一大群價電子的運動）。因此，禁頻寬度的大小實際上是反映了價電子被束縛強弱程度的一個物理量，也就是產生本徵激發所需要的最小能量。

Si的原子序數比Ge的小，則Si的價電子束縛得較緊，所以Si的禁頻寬度比Ge的要大一些。GaAs的價鍵還具有極性，對價電子的束縛更緊，所以GaAs的禁頻寬度更大。GaN、SiC等所謂寬禁帶半導體的禁頻寬度更要大得多，因為其價鍵的極性更強。Ge、Si、GaAs、GaN和金剛石的禁頻寬度在室溫下分別為0.66eV、1.12 eV、1.42 eV、3.44 eV和5.47 eV。

金剛石在一般情況下是絕緣體，因為碳（C）的原子序數很小，對價電子的束縛作用非常強，價電子在一般情況下都擺脫不了價鍵的束縛，則禁頻寬度很大，在室溫下不能產生出載流子，所以不導電。不過，在數百度的高溫下也同樣呈現出半導體的特性，因此可用來製作工作溫度高達500℃以上的電晶體。

作為載流子的電子和空穴，分別處於導帶和價帶之中；一般，電子多分布在導帶底附近（導帶底相當於電子的勢能），空穴多分布在價帶頂附近（價帶頂相當於空穴的勢能）。高於導帶底的能量就是電子的動能，低於價帶頂的能量就是空穴的動能。（3）半導體禁頻寬度與溫度和摻雜濃度等有關：　半導體禁頻寬度隨溫度能夠發生變化，這是半導體器件及其電路的一個弱點（但在某些套用中這卻是一個優點）。半導體的禁頻寬度具有負的溫度係數。例如，Si的禁頻寬度外推0 K時是1.17eV，到室溫時即下降到1.12eV。

如果由許多孤立原子結合而成為晶體的時候，一條原子能級就簡單地對應於一個能帶，那么當溫度升高時，晶體體積膨脹，原子間距增大，能頻寬度變窄，則禁頻寬度將增大，於是禁頻寬度的溫度係數為正。

但是，對於常用的Si、Ge和GaAs等半導體，在由原子結合而成為晶體的時候，價鍵將要產生所謂雜化（s態與p態混合——sp3雜化），結果就使得一條原子能級並不是簡單地對應於一個能帶。所以，當溫度升高時，晶體的原子間距增大，能頻寬度雖然變窄，但禁頻寬度卻是減小的——負的溫度係數。