半导体宽禁带的应用与重要性探讨

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科技的持续创新推动了半导体的发展。在半导体中,出现了一个重要概念,那就是半导体禁带宽度。这个概念解决了电路中的什么问题呢?让我们一起来学习吧!
 
对于包括半导体在内的晶体,其中的电子既不同于真空中的自由电子,也不同于孤立原子中的电子。自由电子在真空中具有连续的能量状态,可以具备任意大小的能量;而原子中的电子处于离散的能级状态。晶体中的电子则处于能带状态,能带由多个能级组成,相邻能带之间存在禁带,电子分布在能带的能级上。禁带是指没有公共运动状态的能量范围。半导体最重要的能带是导带和价带。导带底部与价带顶部之间的能量差被称为禁带宽度(也叫带隙或能隙)。
 
用途方面,虽然禁带中不存在属于整个晶体的共享电子能级,但却可以存在杂质、缺陷等非共享状态的束缚能级。例如施主能级、受主能级、复合中心能级、陷阱中心能级和激子能级等。需要补充的是,这些束缚能级不仅可以出现在禁带中,实际上也可以出现在导带或价带中,因为这些能级本来就不属于表征晶体共享电子状态的能带之列。
 
物理意义
 
禁带宽度是半导体的一个重要特征参数,其大小主要取决于半导体的能带结构,与晶体结构和原子结合性质等有关。
 
在半导体的价带中,大部分电子都是束缚在价键上的电子(称为价电子),无法导电,也就是不具备载流子的特性。只有当这些价电子跃迁到导带上(即发生本征激发),产生自由电子和自由空穴后,才能够导电。实际上,空穴就是价电子跃迁到导带后留下的价键空位(一个空穴的运动可以等效为一群价电子的运动)。因此,禁带宽度的大小实际上反映了价电子被束缚的强度,也即是产生本征激发所需的最小能量。
 
作为载流子,电子和空穴分别处于导带和价带之中。通常情况下,电子多分布在导带底部附近(导带底相当于电子的势能),而空穴多分布在价带顶部附近(价带顶相当于空穴的势能)。高于导带底的能量代表电子的动能,低于价带顶的能量则代表空穴的动能。
 
影响因素
 
半导体的禁带宽度与温度和掺杂浓度等因素相关。禁带宽度随温度变化,这在半导体器件和电路中有时是一个弱点(但在某些应用中却是一个优点)。半导体的禁带宽度具有负的温度系数。例如,硅(Si)的禁带宽度在0K下推导为1.17eV,在室温下降至1.12eV。当晶体由许多孤立原子结合而成时,一个原子能级简单对应一个能带,此时随着温度升高,晶体膨胀并增大原子间距,能带宽度变窄,从而禁带宽度增大,即禁带宽度的温度系数为正。
 
然而,常用的硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体在晶体形成时,价键会产生所谓的杂化(s态与p态混合的sp3杂化),导致一个原子能级并不简单对应一个能带。因此,随着温度升高,晶体原子间距增大,尽管能带宽度变窄,禁带宽度却减小,即禁带宽度具有负的温度系数。此外,当掺杂浓度较高时,杂质能带和能带尾的出现可能导致禁带宽度变窄。
 
禁带宽度对于半导体器件性能影响显而易见,直接决定了器件的耐压和最高工作温度。对于双极型晶体管(BJT),如果由于高掺杂导致发射区禁带宽度变窄,将大大降低电流增益。
 
硅的原子序数较锗小,因此硅的价电子束缚更紧,禁带宽度比锗要大。砷化镓的价键具有极性,对价电子的束缚更强,所以砷化镓的禁带宽度更大。宽禁带半导体如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的禁带宽度更大,因为其价键的极性更强。在室温下,锗、硅、砷化镓、氮化镓和金刚石的禁带宽度分别为0.66eV、1.12eV、1.42eV、3.44eV和5.47eV。
 
金刚石在一般情况下是绝缘体,因为碳(C)的原子序数较小,对价电子的束缚作用非常强,价电子无法摆脱价键的束缚,所以禁带宽度很大,在室温下不能产生载流子,因此不导电。然而,在高温下(数百度以上),金刚石也呈现出半导体特性,可用于制造工作温度达到500℃以上的晶体管。
 
总结:通过学习宽禁带的用途、物理意义以及影响因素,我们对宽禁带的重要性有了更深入的理解。以上是关于半导体宽禁带的一些技术干货讲解。

关键词:罗姆半导体官网

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