半导体能带形成之原因南台科技大学知识分享平台Word下载.docx
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能带理论
能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。
是於20世纪初期，在量子力学确立以後发展起来的一种近似理论。
它曾经定性地阐明了晶体中电子运动的普遍特点，并进而说明了导体与绝缘体、半导体的区别所在，解释了晶体中电子的平均自由程问题。
自20世纪六十年代，电子计算机得到广泛应用以後，使用电子计算机依据第一原理做复杂能带结构计算成为可能。
能带理论由定性发展为一门定量的精确科学。
能带结构简介
固体材料的能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价电带（简称价带）和禁带等，导带和价带间的空隙称为能隙。
能带结构可以解释固体中导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来。
材料的导电性是由「传导带」中含有的电子数量决定。
当电子从
「价带」获得能量而跳跃至「传导带」时，电子就可以在带间任意移动而导电。
一般常见的金属材料，因为其传导带与价带之间的「能隙」非常小，
在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大於9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介於导体和绝缘体之间。
因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
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三种导电性不同的材料比较，金属的价带与传导带之间没有距
离，因此电子（红色实心圆圈）可以自由移动。
绝缘体的能隙宽度最
大，电子难以从价带跃迁至传导带。
半导体的能隙在两者之间，电
子较容易跃迁至传导带中
矽的能带结构：
对於间接能隙半导体而言，电子从传导带落至价带时，能量的释放牵涉到动量守衡，故大部分以声子的形式释放能量，发光效率不高
砷化镓的能带结构：
对於直接能隙半导体而言，电子从传导带落至价带时，能量的释放不必牵涉到动量守衡，故全部以光子的形式释放能量。
半导体中的电子所具有的能量被限制在基态（groundstate）与自由电子（freeelectron）之间的几个「能带」（energyband）里，也就是电子所具备的能量必定为不连续的能阶。
当电子在基态时，相当於此电子被束缚在原子核附近；
而相反地，如果电子具备了自由电子所需要的能量，那麽就能完全离开此材料。
每个能带都有数个相对应的量子态（quantumstate），而这些量子态中，能量较低的都已经被电子所填满。
这些已经被电子填满的量子态中，能量最高的就被称为价带（valeneeband）。
半导体和绝缘体在正常情况下，几乎所有电子都在价带或是其下的量子态里，因此没有自由电子可供导电。
导体和绝缘体之间的差异在於两者之间能隙（energybandgap）宽度不同，亦即电子欲从价带跳入传导带（conduetionband）时所必须获得的最低能量不一样。
通常能隙宽度小於3电子伏特（eV）者为半导体，以上为绝缘体。
半导体和导体之间有个显着的不同是半导体的电流传导同时来自电流与电洞的贡献，而导体的费米能阶（Fermilevel）则已经在传导带内，因此电子不需要很大的能量即可找到空缺的量子态供其跳跃、造成电流传导。
固体材料内的电子能量分布遵循费米-狄拉克分布（Fermi-DiracDistribution）。
在绝对零度时，材料内电子的最高能量即为费米能阶，当温度高於绝对零度时，费米能阶为所有能阶中，被电子占据机率等於的能阶。
半导体材料内电子能量分布为温度的函数也使其导电特性受到温度很大的影响，当温度很低时，可以跳到传导带的电子较少，因此导电性也会变得较差。
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-5）為間接能隙半導
體解帶分佈61，其傳導帶的最低點與價電帶之最高監並未相對、因此像導帶之自由電子欧與價電带之電洞復合芝前必須光經過動量轉換1相對地降低了腹今機率*並且以熱能的形式將能量釋放出来
直接能隙与间阶能隙
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半尊體的材料可分為直接能隙材料與間接能隙林料兩種，虫實際能带結構如圈所示
（a）.直接能隙半茅體能帶分佈；
其傳導帶之最低點典價電帶之最高黠相對‘因此電子射入I）型半導體後與電洞復合機率較高*並且以髓射光询形式將能量释放出來，此種半導體林料即稱為直接能隙材料,又稱為光電半導體材料
参考资料维基百科奇摩知识家
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