半导体的能带结构求助

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。

我个人认为从禁带宽度论述比较合理。就上述三种材料来讲，Si的带宽为1.12eV属窄禁带半导体，GaAs和SiC为宽紧带半导体材料，材料的一些主要性能都由它们的带宽和能带结构决定，所以应从能带论入手。由于禁带宽度的不同，它们的工作极限工作温度有所差异，吸收光的范围也有所差异。掺杂原理则一般均为替位式掺杂。至于应用领域不可一言以蔽之。

半导体掺杂之后会引入杂志能级，以目前主流的半导体Si进行掺杂为例：Si为4族元素，掺杂3族元素B，B元素电离后作为受主能级存在在半导体之中，形成P型半导体。此时Si元素为杂志提供了电子，则半导体中载流子为空穴。Si为4族元素，掺杂5族元素P，P元素电离后作为施主能级存在在半导体之中，形成N型半导体。此时Si元素为杂志提供了空穴，则半导体中载流子为电子。 掺杂后引入杂质能级（轻掺杂）：P半导体的受主能级会在Ei 下方，即接近价带顶。N半导体的施主能级会在Ei上方，即接近导带底。Ei为能带中线。一般来说，掺杂过后Eg（带隙）不会发生较大改变。Eg = Ec-Ev，Ec为导带底、Ev为价带顶。如果可以看态密度图的话，可以将态密度图与能带图相对应，找出能级贡献量较大的离子，如果该能级为Si提供，则可以判断为原能级，如果能级为P、B提供则为引入的杂志能级。 希望能帮到你，谢谢

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