禁帶寬度

1.基本信息

禁帶寬度(Band gap)是指一個能帶寬度(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)體價帶中的大量電子都是價鍵上的電子（稱為價電子），不能夠?qū)щ姡床皇禽d流子。只有當(dāng)價電子躍遷到導(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?。空穴實際上也就是價電子躍遷到導(dǎo)帶以后所留下的價鍵空位（一個空穴的運動就等效于一大群價電子的運動）。因此，禁帶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(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的價鍵還具有極性，對價電子的束縛更緊，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，因為其價鍵的極性更強。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，因為碳（C）的原子序數(shù)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，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)于電子的勢能），空穴多分布在價帶頂附近（價帶頂相當(dāng)于空穴的勢能）。高于導(dǎo)帶底的能量就是電子的動能，低于價帶頂?shù)哪芰烤褪强昭ǖ膭幽?。?）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弱點（但在某些應(yīng)用中這卻是一個優(yōu)點）。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時是1.17eV，到室溫時即下降到1.12eV。

如果由許多孤立原子結(jié)合而成為晶體的時候，一條原子能級就簡單地對應(yīng)于一個能帶，那么當(dāng)溫度升高時，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)合而成為晶體的時候，價鍵將要產(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并不是簡單地對應(yīng)于一個能帶。所以，當(dāng)溫度升高時，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，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；對于BJT，當(dāng)發(fā)射區(qū)因為高摻雜而出現(xiàn)禁帶寬度變窄時，將會導(dǎo)致電流增益大大降低。