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1基本信息

禁帶寬度

  禁帶寬度

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取值的,而是一些不連續的能帶,要導電就要有自由電子存在,自由電子存在的能帶稱為導帶(能導電),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。半導體的反向耐壓,正向壓降都和禁帶寬度有關。

2禁帶寬度的物理意義

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后,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。
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。
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