简述半导体中能级和能带的意义？

能层（英语：Energy level）理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。氢原子的能级可以由它的光谱显示出来。能带理论（Energy band theory ）是讨论晶体（包括金属、绝缘体和半导体的晶体）中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动，即是单电子近似的理论；对于晶体中的价电子而言，等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子波函数反对称而带来的交换作用，是一种晶体周期性的势场。

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。

电子的能级与能带一、什么叫能级上面我们提到，电子围绕原子核是按层分布的，每个电子的能量（或运转的轨道）是固定的。在原子中，最外层电子离原子核最远，原子核对它的吸引力最小而靠近原子核的那层电子，原子核对它的吸引力最大。所以，如果第一层的电子要跳到第二层，它就必须花去一定的能量来克服原子核对它的引力。如果这个电子的能量很小不足以克服原子核的引力，那它只能在第一层运转。可见，只有能量较大的电子才能从第一层跳到第二层。所以第二层上电子的能量大于第一层上电子的能量。依次类推，越是外层上的电子能量越大。在物理学中，常常用能量图来描述电子在不同轨道上所具有的能量。如果把电子所具有的能量由低到高依次用线条画出来，那末就可以看出，它们的能量是一级级地增加上去的。打开百度APP，查看更多高清图片我们分别用Ex、Bl、BM、BN分别表示电子处于K、L、M、N各层上所具有的能量。我们把这些标志电子能量高低的线条称为电子的能级。这里要指出的是，在最外层电子能级的上面还存在能级，但这些能级是空的，并没有电子占据，这些空的能级越来越接近自由电子能级。所谓自由电子是指不受原子核束缚，而能够自由活动的电子。二、能带是怎样形成的以上我们仅仅讨论了在一个孤立原子中的电子状态。在通常情况下，物质都是由大量原子组成的。在半导体中，大量的原子按一定的规律和周期排列成晶体。由于原子与原子靠得非常近，所以价电子不仅受原来所属的原子核的影响还要受到相邻原子的原子核的影响。这样，价电子就不再属于个别原子所“私有”，即仅围绕某个原子核运动，而成了整个晶体所“共有”它能在整个晶体中运动。价电子的这种运动称为共有化运动。这里就提出了一个问题：当价电子在整个晶体中运动时，它所具有的能量是否和围绕一个原子核运动时所具有的能量一样呢？或者说，它们的能级有没有变化呢？实际上，它们的能级是有变化的。这些共有化”的价电子不像围绕一个原子核运动时那样只能有一个固定的能量，即有一个固定的能级，而是具有若干个分布在一定范围内的能级。这些能级相互之间靠得非常近，基本上连成一片。我们把这些连成一片的能级叫做能带。除了价电子会产生共有化运动外，内层电子也会产生共有化运动。三、价带、满带、禁带和导带外层电子所对应的能带比较宽越靠近原子核的内层电子所对应的能带越窄。这是因为外层电子的共有化运动比较强，电子在晶体中共有化运动的速度比较快；内层电子的共有化运动比较弱，运动速度也较慢。因此，能带的宽度主要由晶体的性质来决定，与晶体中原子的多少无关。在能带与能带之间的区域我们称它为禁带，那是因为在这个能量范围内不允许电子存在。在晶体中，电子只能存在于能带的能级上。如果把一盆水倒在坑洼不平的地上，水总是先流向凹洼处同样，电子在填充能带时也是先占据能量最小的能级，也就是最下面的能级。因此，在正常情况下，内层电子所对应的能带都被电子填满了，而最外层价电子所对应的能带有的已被电子填满，有的则还没有被电子所填满。还有的能带根本没有电子，而是空的。这些不同情况的能带具有不同的特性。为了以示区别，我们分别给它们不同的名称：价电子能级所对应的能带称为价带；凡是被电子填满的能带称为满带；没有被电子填满的能带（包括没有电子占据的空带）称为导带。半导体和绝缘体中的价带都是填满电子的满带。电子在满带中是不能导电的，只有在导带中的电子才能导电。下面来讲讲为什么电子在满带中不能导电，而在导带中能导电的问题。我们知道，电流是电子在电场的作用下沿着某一方向移动的结果。我们可以想象能带中有许多“位置”，每个“位置”只能容纳一个电子，由于在满带中所有的“位置都被电子占满了，电子不能在电场作用下从一个“位置”跑到另一个“位置”，就象在满座的剧场里你不可能去占坐别人的座位一样，所以满带中的电子是不自由的，即不能导电。但在导带中有许多空的“位置”电子在电场的作用下就能改变能量，从一个位置”跑到另一个“位置”。大量电子的这种运动，从宏观上来看，表现为电子作定向运动，因而就形成了电流。所以说只有导带中的电子才能导电

---