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禁带、价带和导带的物理意义该如何理解?

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刘小康·60.00

2016-09-03提问

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一、禁带

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,就必须获得足够能量从而跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。


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。

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最高能带。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,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。



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带——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。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-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-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-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-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-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。

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