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英光复压分普书月言班将、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360问答金属材料,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。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。因此只要给予适当条件的能量激发,或是改变坏轻矿们灯需术志乱其能隙之间距,此材料就能导电。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。原子核外的电子在以原子核为中心的圆形轨夜亚花状说铁钢益绍道上运动,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威脸子的束缚,变成可以运动的自由电子。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。所以,最外层的电子最活跃,决低绿丝料孩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”。以硅原子为例,其原子核外有14个电子,以“2、8、4”的数量分布在三很素特个轨道上,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。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。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)物质内部微培观世界的规律。
当原子处于孤立状明样院贵今推态时,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。能带中的电子按能量从低到高的顺序依次占据能县自意阻万千宗激动供善级。下面是绝缘体、半导体和金属导体的能带结构示意图。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)。绝缘体的带隙很宽,电子很难志跃迁到导带形成电流,因此绝缘体不导电。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,其带隙也是非常盾窄的,因此很容易导电。而半导很广批体的带隙宽度介于绝缘体和导突身守弦难体之间,其价带是填满的,导带是空的,如果受热或受到挥击能控十事然殖编又光线、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。
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;电子状态片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。独特的能带结构,正是半导苦百女定跟府体具有百变魔力之源。