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禁帶

鎖定
禁帶是指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態密度為零的能量區間。禁帶寬度的大小決定了材料是具有半導體性質還是具有絕緣體性質。半導體的禁帶寬度較小,當温度升高時,電子可以被激發傳到導帶,從而使材料具有導電性。絕緣體的禁帶寬度很大,即使在較高的温度下,仍是電的不良導體。
中文名
禁帶
外文名
forbidden band
特    徵
晶體中相鄰兩能帶間的能量範圍
提出者
派爾斯
定    義
能態密度為零的能量區間
學    科
半導體物理

禁帶概念解釋

對於絕緣體,分隔導帶滿帶禁帶寬度較大,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帶寬度較小,激發電子的數目較多,就可以導電 [1] 
能帶結構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。禁帶寬度的大小決定了材料是半導體還是絕緣體。半導體的禁帶寬度較小,温度升高,電子被激發傳到導帶,具有導電性。絕緣體的禁帶寬度很大,即使在較高的温度下,仍是不良導體

禁帶寬度

禁帶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羣價電子的運動)。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,也就是產生本徵激發所需要的最小能量。
Si的原子序數比Ge的小,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等寬禁帶半導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温下分別為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脱不了價鍵的束縛,則禁帶寬度很大,在室温下不能產生出載流子,所以不導電。不過,在數百度的高温下也同樣呈現出半導體的特性,因此可用來製作工作温度高達500℃以上的晶體管。
作為載流子的電子和空穴,分別處於導帶和價帶之中;一般,電子多分佈在導帶底附近(導帶底相當於電子的勢能),空穴多分佈在價帶頂附近(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)半導體禁帶寬度與温度和摻雜濃度等有關: 半導體禁帶寬度隨温度能夠發生變化,這是半導體器件及其電路的一個弱點(但在某些應用中這卻是一個優點)。半導體的禁帶寬度具有負的温度係數。例如,Si的禁帶寬度外推0 K時是1.17eV,到室温時即下降到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,那麼當温度升高時,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,於是禁帶寬度的温度係數為正。
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,當温度升高時,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——負的温度係數。
當摻雜濃度很高時,由於雜質能帶和能帶尾的出現,而有可能導致禁帶寬度變窄。
禁帶寬度對於半導體器件性能的影響是不言而喻的,它直接決定着器件的耐壓和最高工作温度;對於BJT,當發射區因為高摻雜而出現禁帶寬度變窄時,將會導致電流增益大大降低。

禁帶能帶

晶體中的電子應該由低到高依次佔據能帶中的各個能級.如果一能帶中所有能態都已被電子填滿,這能帶稱為滿帶。一般原子內層能級在正常狀態下都已被電子填滿,當結合成晶態時,與此能級相應的能帶如果不和其他能帶重疊,一般都是滿帶.由於滿帶中所有可能的能態都已被電子佔滿,因此不論有無外電場作用,當滿帶中有任一電子由其他原來佔有的能態向這一能帶中的其他任一能態轉移時,就必有電子沿相反方向的轉移與之抵償,其總效果與沒有電子轉移一樣。所以説滿帶中的電子沒有導電作用(當然如果把滿帶中的電子激發到能量更高的非滿帶中去,就會導電)。有的能帶中只填入部分電子,還有一些空着的能態,能帶中的電子在外電場作用下得到能量後,可進入本能帶中未被電子填充的稍高的能態,並且它的轉移不一定有反向的電子轉移來把它抵消掉,從而形成了電流.這樣未填滿電子的能帶稱為導帶。此外,與各原子激發的能級相應的能帶,在未被激發的正常情況下,往往沒有電子填入稱為空帶。如果有電子因某種因素受激進入空帶,在外電場中,這電子也可得到加速,在該空帶內稍高的空能態轉移,從而表現為具有一定的導電性,因此空帶也稱為導帶。 [2] 
晶體中能帶結構示意圖如圖1所示。
圖1 圖1

禁帶示意圖

常見半導體材料禁帶值:

禁帶相關概念

半導體禁帶
按照固體的能帶理論,半導體的價帶導帶之間有一個禁帶。在禁帶較窄的半導體中,有一些物理現象表現最為明顯。由於禁帶窄,導帶與價帶的相互影響就比較嚴重,尋常温度下熱激發的電子濃度高,費米能級很容易進入導帶,必須用費米-狄拉克統計來處理電子輸運過程。 [3] 
濾波器禁帶
濾波器中常用的名詞。被濾波器所阻擋,不能通過的頻率範圍稱為禁帶。
光子禁帶
1987 年,E.Yablonovitch和 S.John分別提出了光子晶體的概念,即所謂的“光半導體”。它是一種由介質或金屬週期排列構成的人工材料。由於其獨特的性能和潛在的巨大應用前景,近十年來,光子晶體己成為一個發展迅速的科學研究新領域。
我們知道,在半導體材料中由於週期勢場作用,電子會形成能帶結構,帶與帶之間有能隙(如價帶與導帶)。如果將具有不同介電常數的介質材料在空間按一定的週期排列,由於存在週期性,在其中傳播的光波的色散曲線將成帶狀結構,帶與帶之間有可能會出現類似於半導體禁帶的“光子禁帶”(Photonic band gap),頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴格禁止傳播的。
如果只在一個方向具有周期結構,光子禁帶只可能出現在這個方向上,如果存在三維的週期結構,就有可能出現全方位的光子禁帶。落在禁帶中的光在任何方向都被禁止傳播。我們將具有光子禁帶的週期性電介質結構稱為光子晶體(Photonic Crystal)。
光子晶體的最根本特徵是具有光子禁帶,落在禁帶中的光是被禁止傳播的,光子禁帶的出現依賴於光子晶體的結構、介電常數的配比和幾何結構。
光子晶體禁帶的特性
選擇不同的晶格結構能夠產生不同禁帶寬度和位置;不同介電常數與填充比在一定範圍內與禁帶寬度成正比關係;在相同填充比下研究了不同的柱體形狀,發現橢圓柱體的結構與圓柱體結構相差不大,但是它的 TE、TM 模與圓柱體結構相比卻產生了多個分立禁帶,禁帶結構有了較大變化,而實際的加工製作光子晶體中,由於精度不夠,圓柱結構又經常被破壞,成為橢圓或其它形狀,所以光子晶體的柱體結構在光子禁帶的分析中是值的重視的。 [4] 
參考資料
  • 1.    詞條作者:陸棟.《中國大百科全書》74卷(第二版)物理學 詞條:禁帶:中國大百科全書出版社,2009-07:265頁
  • 2.    張晉魯,黃新民主編;周恆為等副主編;付清榮等編. 普通物理學 下 第2版. 南京:南京大學出版社, 2015.08.
  • 3.    詞條作者:湯定元.《中國大百科全書》74卷(第一版)物理學 詞條:窄禁帶半導體:中國大百科全書出版社,1987
  • 4.    曾輝. 光子晶體禁帶特性的研究[D].電子科技大學,2006.