小科普|一文讀懂半導體寬禁帶的技術

半導體電路中，出現了一個詞，不是別的就是我們的主題，半導體禁帶寬度？這個詞的出現是解決電路中什麼問題呢？帶著各種疑問，我們一起學習起來吧~

對於包括半導體在內的晶體，其中的電子既不同於真空中的自由電子，也不同於孤立原子中的電子。真空中的自由電子具有連續的能量狀態，即可取任何大小的能量；而原子中的電子是處於所謂分離的能級狀態。晶體中的電子是處於所謂能帶狀態，能帶是由許多能級組成的，能帶與能帶之間隔離著禁帶，電子就分布在能帶中的能級上，禁帶是不存在公有化運動狀態的能量範圍。半導體最高能量的、也是最重要的能帶就是價帶和導帶。導帶底與價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於整個晶體所有的公有化電子的能級，但是可以出現雜質、缺陷等非公有化狀態的能級——束縛能級。例如施主能級、受主能級、複合中心能級、陷阱中心能級、激子能級等。順便也說一句，這些束縛能級不只是可以出現在禁帶中，實際上也可以出現在導帶或者價帶中，因為這些能級本來就不屬於表徵晶體公有化電子狀態的能帶之列。

物理意義

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，也就是產生本徵激發所需要的最小能量。

作為載流子的電子和空穴，分別處於導帶和價帶之中；一般，電子多分布在導帶底附近（導帶底相當於電子的勢能），空穴多分布在價帶頂附近（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。

影響因素

半導體禁帶寬度與溫度和摻雜濃度等有關：半導體禁帶寬度隨溫度能夠發生變化，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溫度係數。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，於是禁帶寬度的溫度係數為正。

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——負的溫度係數。

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，它直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度；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。

Si的原子序數比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，在室溫下不能產生出載流子，所以不導電。不過，在數百度的高溫下也同樣呈現出半導體的特性，因此可用來製作工作溫度高達500℃以上的電晶體。