科技的不斷創(chuàng)新帶動(dòng)了半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體電路中，出現(xiàn)了一個(gè)詞，不是別的就是我們的主題，半導(dǎo)體禁帶寬度?這個(gè)詞的出現(xiàn)是解決電路中什么問題呢?帶著各種疑問，我們一起學(xué)習(xí)起來吧~

對(duì)于包括半導(dǎo)體在內(nèi)的晶體，其中的電子既不同于真空中的自由電子，也不同于孤立原子中的電子。真空中的自由電子具有連續(xù)的能量狀態(tài)，即可取任何大小的能量;而原子中的電子是處于所謂分離的能級(jí)狀態(tài)。晶體中的電子是處于所謂能帶狀態(tài)，能帶是由許多能級(jí)組成的，能帶與能帶之間隔離著禁帶，電子就分布在能帶中的能級(jí)上，禁帶是不存在公有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量范圍。半導(dǎo)體最高能量的、也是最重要的能帶就是價(jià)帶和導(dǎo)帶。導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差即稱為禁帶寬度(或者稱為帶隙、能隙)。

用途

禁帶中雖然不存在屬于整個(gè)晶體所有的公有化電子的能級(jí)，但是可以出現(xiàn)雜質(zhì)、缺陷等非公有化狀態(tài)的能級(jí)——束縛能級(jí)。例如施主能級(jí)、受主能級(jí)、復(fù)合中心能級(jí)、陷阱中心能級(jí)、激子能級(jí)等。順便也說一句，這些束縛能級(jí)不只是可以出現(xiàn)在禁帶中，實(shí)際上也可以出現(xiàn)在導(dǎo)帶或者價(jià)帶中，因?yàn)檫@些能級(jí)本來就不屬于表征晶體公有化電子狀態(tài)的能帶之列。

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?，即不是載流子。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??？昭▽?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。

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。

影響因素

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。

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?C)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，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。

總結(jié)：通過學(xué)習(xí)寬禁帶的用途，物理意義以及影響因素，我們進(jìn)一步深層次的了解寬禁帶的存在的意義了，以上就是半導(dǎo)體寬禁帶的一些技術(shù)干貨講解。