能带结构的定义(能带的结构简介)
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1、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。
2、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。
3、材料的导电性是由“传导带”中含有的电子数量决定。
4、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。
5、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(通常大于9电子伏特),电子很难跳跃至传导带,所以无法导电。
6、一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特,介于导体和绝缘体之间。
7、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。
8、 所有固体物质都是由原子组成的,而原子则由原子核和电子组成。
9、原子核外的电子在以原子核为中心的圆形轨道上运动,距离原子核越远的轨道其能级(电位能的级别)越高,电子也就越容易脱离原子的束缚,变成可以运动的自由电子。
10、这有点像手上的风筝,放得越高,其运动能量越大,挣脱线的束缚的可能性越大。
11、所以,最外层的电子最活跃,决定了与其他原子结合的方式(化学键),决定了该元素的化学性质,也就决定了该原子的价值,因此被称作为“价电子”。
12、以硅原子为例,其原子核外有14个电子,以“2、8、4”的数量分布在三个轨道上,里面2和8个电子是稳定的,而外部的4个电子状态容易发生变化,因此其物理、化学特性就与它的4个价电子强相关。
13、原子的电子状态决定了物质的导电特性,而能带就是在半导体物理中用来表征电子状态的一个概念。
14、在固体电子学中有一套能带理论,便于研究固体(包括半导体)物质内部微观世界的规律。
15、当原子处于孤立状态时,其电子能级可以用一根线来表示;当若干原子相互靠近时,能级组成一束线;当大量原子共存于内部结构规律的晶体中时,密集的能级就变成了带状,即能带。
16、能带中的电子按能量从低到高的顺序依次占据能级。
17、下面是绝缘体、半导体和金属导体的能带结构示意图。
18、最下面的是价带,是在存在电子的能带中,能量最高的带;最上面是导带,一般是空着的;价带与导带之间不存在能级的能量范围就叫做禁带,禁带的宽度叫做带隙(能隙)。
19、绝缘体的带隙很宽,电子很难跃迁到导带形成电流,因此绝缘体不导电。
20、金属导体只是价带的下部能级被电子填满,上部可能未满,或者跟导带有一定的重叠区域,电子可以自由运动,即使没有重叠,其带隙也是非常窄的,因此很容易导电。
21、而半导体的带隙宽度介于绝缘体和导体之间,其价带是填满的,导带是空的,如果受热或受到光线、电子射线的照射获得能量,就很容易跃迁到导带中,这就是半导体导电并且其导电性能可被改变的原理。
22、由于半导体的带隙窄,电子容易发生跃迁,因而导电性能容易发生大的变化;电子状态的变化还可能带来其他效应,比如从高能级到低能级跃迁过程中多余的能量以光子的形式释放,则产生“发光”现象。
23、独特的能带结构,正是半导体具有百变魔力之源。
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