能隙是什么意思

能隙

a band gap, also called an energy gap or bandgap

或译作能带隙，在固态物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带 (valence band) 顶端至传导带 (conduction band) 底端的能量差距。

对一个本征半导体 (intrinsic semiconductor) 而言，其导电性与能隙的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过能隙并跃迁至传导带。利用费米-狄拉克统计 (Fermi-Dirac Statistics) 可以得到电子占据某个能阶 (energy state) E0的机率。又假设E0 >>EF，EF是所谓的费米能阶 (Fermi level)，电子占据E0的机率可以利用波兹曼近似简化为：

e^(-Eg/kT)

在上式中，Eg是能隙的宽度，k是波兹曼常数 (Boltzmann's Constant)，而T则是开尔文温标。

半导体材料的能隙可以利用一些工程手法加以调整，特别是在化合物半导体中，例如控制砷化镓铝 (AlGaAs) 或砷化镓铟 (InGaAs) 各种元素间的比例，或是利用如分子束磊晶 (Molecular Beam Epitaxy, MBE) 成长出多层的磊晶材料。这类半导体材料在高速半导体元件或是光电元件，如异质接面双载子晶体管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)、激光二极管，或是太阳能电池上已经成为主流。

半导体能带理论 分析半导体能带理论，必须从能级，能带，禁带，价带，导带开始。因此分析如下： 能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。 导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。 半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。半导体中的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。

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