禁帶寬度

1.基本信息

禁帶寬度(Band gap)是指一個(gè)能帶寬度(單位是電子伏特(ev))，固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶（能導(dǎo)電），被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。

例如：鍺的禁帶寬度為0.66ev；硅的禁帶寬度為1.12ev；砷化鎵的禁帶寬度為1.46ev；氧化亞銅的禁帶寬度為2.2eV。禁帶非常窄的一般是金屬，反之一般是絕緣體。半導(dǎo)體的反向耐壓，正向壓降都和禁帶寬度有關(guān)。

2.禁帶寬度的物理意義

禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。

半導(dǎo)體價(jià)帶中的大量電子都是價(jià)鍵上的電子（稱為價(jià)電子），不能夠?qū)щ姡床皇禽d流子。只有當(dāng)價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶（即本征激發(fā)）而產(chǎn)生出自由電子和自由空穴后，才能夠?qū)щ?。空穴?shí)際上也就是價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶以后所留下的價(jià)鍵空位（一個(gè)空穴的運(yùn)動(dòng)就等效于一大群價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)）。因此，禁帶寬度的大小實(shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量。

Si的原子序數(shù)比Ge的小，則Si的價(jià)電子束縛得較緊，所以Si的禁帶寬度比Ge的要大一些。GaAs的價(jià)鍵還具有極性，對(duì)價(jià)電子的束縛更緊，所以GaAs的禁帶寬度更大。GaN、SiC等所謂寬禁帶半導(dǎo)體的禁帶寬度更要大得多，因?yàn)槠鋬r(jià)鍵的極性更強(qiáng)。Ge、Si、GaAs、GaN和金剛石的禁帶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?yàn)樘迹–）的原子序數(shù)很小，對(duì)價(jià)電子的束縛作用非常強(qiáng)，價(jià)電子在一般情況下都擺脫不了價(jià)鍵的束縛，則禁帶寬度很大，在室溫下不能產(chǎn)生出載流子，所以不導(dǎo)電。不過(guò)，在數(shù)百度的高溫下也同樣呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性，因此可用來(lái)制作工作溫度高達(dá)500℃以上的晶體管。

作為載流子的電子和空穴，分別處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之中；一般，電子多分布在導(dǎo)帶底附近（導(dǎo)帶底相當(dāng)于電子的勢(shì)能），空穴多分布在價(jià)帶頂附近（價(jià)帶頂相當(dāng)于空穴的勢(shì)能）。高于導(dǎo)帶底的能量就是電子的動(dòng)能，低于價(jià)帶頂?shù)哪芰烤褪强昭ǖ膭?dòng)能。（3）半導(dǎo)體禁帶寬度與溫度和摻雜濃度等有關(guān)：　半導(dǎo)體禁帶寬度隨溫度能夠發(fā)生變化，這是半導(dǎo)體器件及其電路的一個(gè)弱點(diǎn)（但在某些應(yīng)用中這卻是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)）。半導(dǎo)體的禁帶寬度具有負(fù)的溫度系數(shù)。例如，Si的禁帶寬度外推到0K時(shí)是1.17eV，到室溫時(shí)即下降到1.12eV。

如果由許多孤立原子結(jié)合而成為晶體的時(shí)候，一條原子能級(jí)就簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)于一個(gè)能帶，那么當(dāng)溫度升高時(shí)，晶體體積膨脹，原子間距增大，能帶寬度變窄，則禁帶寬度將增大，于是禁帶寬度的溫度系數(shù)為正。

但是，對(duì)于常用的Si、Ge和GaAs等半導(dǎo)體，在由原子結(jié)合而成為晶體的時(shí)候，價(jià)鍵將要產(chǎn)生所謂雜化（s態(tài)與p態(tài)混合——sp3雜化），結(jié)果就使得一條原子能級(jí)并不是簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)于一個(gè)能帶。所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，晶體的原子間距增大，能帶寬度雖然變窄，但禁帶寬度卻是減小的——負(fù)的溫度系數(shù)。

當(dāng)摻雜濃度很高時(shí)，由于雜質(zhì)能帶和能帶尾的出現(xiàn)，而有可能導(dǎo)致禁帶寬度變窄。

禁帶寬度對(duì)于半導(dǎo)體器件性能的影響是不言而喻的，它直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度；對(duì)于BJT，當(dāng)發(fā)射區(qū)因?yàn)楦邠诫s而出現(xiàn)禁帶寬度變窄時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電流增益大大降低。