禁带宽度变小说明什么

1、禁带宽度的物理意义

禁带宽度是半导体的一个重要特征参量,其大小主要决定于半导体的能带结构,即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
半导体价带中的大量电子都是价键上的电子(称为价电子),不能够导电,即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带(即本征激发)而产生出自由电子和自由空穴后,才能够导电。空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位(一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动)。因此,禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量,也就是产生本征激发所需要的最小能量。
Si的原子序数比Ge的小,则Si的价电子束缚得较紧,所以Si的禁带宽度比Ge的要大一些。GaAs的价键还具有极性,对价电子的束缚更紧,所以GaAs的禁带宽度更大。GaN、SiC等所谓宽禁带半导体的禁带宽度更要大得多,因为其价键的极性更强。Ge、Si、GaAs、GaN和金刚石的禁带宽度在室温下分别为0.66eV、1.12 eV、1.42 eV、3.44 eV和5.47 eV。
金刚石在一般情况下是绝缘体,因为碳(C)的原子序数很小,对价电子的束缚作用非常强,价电子在一般情况下都摆脱不了价键的束缚,则禁带宽度很大,在室温下不能产生出载流子,所以不导电。不过,在数百度的高温下也同样呈现出半导体的特性,因此可用来制作工作温度高达500℃以上的晶体管。
作为载流子的电子和空穴,分别处于导带和价带之中;一般,电子多分布在导带底附近(导带底相当于电子的势能),空穴多分布在价带顶附近(价带顶相当于空穴的势能)。高于导带底的能量就是电子的动能,低于价带顶的能量就是空穴的动能。(3)半导体禁带宽度与温度和掺杂浓度等有关: 半导体禁带宽度随温度能够发生变化,这是半导体器件及其电路的一个弱点(但在某些应用中这却是一个优点)。半导体的禁带宽度具有负的温度系数。例如,Si的禁带宽度外推到0K时是1.17eV,到室温时即下降到1.12eV。
如果由许多孤立原子结合而成为晶体的时候,一条原子能级就简单地对应于一个能带,那么当温度升高时,晶体体积膨胀,原子间距增大,能带宽度变窄,则禁带宽度将增大,于是禁带宽度的温度系数为正。
但是,对于常用的Si、Ge和GaAs等半导体,在由原子结合而成为晶体的时候,价键将要产生所谓杂化(s态与p态混合——sp3杂化),结果就使得一条原子能级并不是简单地对应于一个能带。所以,当温度升高时,晶体的原子间距增大,能带宽度虽然变窄,但禁带宽度却是减小的——负的温度系数。
当掺杂浓度很高时,由于杂质能带和能带尾的出现,而有可能导致禁带宽度变窄。
禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的,它直接决定着器件的耐压和最高工作温度;对于BJT,当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时,将会导致电流增益大大降低。

2、半导体的禁带宽度大小对它的用途有何影响请举例说明

禁带宽度对于半导体器件性能的影响非常大,它直接决定着器件的耐压和最高工作温度;比如氮化镓禁带宽度很大,即便高温价带电子也很难吸收大于Eg的热辐射的能量跳变到导带,这样就能继续发挥半导体作用,同理因为跃迁能量较大,所以GaN更难被击穿,因此常用作高压耐高温器件,也有很高的抗辐射性能。

另一方面,通过掺杂调节禁带宽度可以制作高电子迁移率晶体管(HEMT,High Electron Mobility Transistor)。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域,原因就在于它采用了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的;而高迁移率的原因部分在于禁带宽度不同的半导体组成异质结。
相关的东西很多,我也在学习之中,互勉~

3、影响半导体禁带宽度的因素有哪些?分别是怎么影响的?

我来回答一下,本人某电微电子科学与工程专业,有表述不当之处,望批评指正。
影响半导体禁带宽度的因素主要有两种:温度与掺杂浓度。(以si、Ge、GaAs半导体为主)
1、半导体禁带宽度具有负温度系数:
从原子到晶体,经过价键杂化(即:sp3杂化),一条原子能级一般对应多个能带。当温度升高时,晶体的原子间距增大,能带宽度虽然变窄,但禁带宽度却是减小的。(这里解释一下,虽然原子间距增大了,并且能带宽度变窄了,但是此时有多条能带,相对来说,禁带宽度是变小的);
2、掺杂浓度升高时,由于杂质能级的出现,可能导致禁带宽度变窄:
其实这一点从本质来解释是不太好理解的,我这里举个例子,再给出我个人的一些理解,希望可以帮助你理解这一点。例:在BJT中,发射区高掺杂会导致禁带宽度变窄。我个人理解是,有了杂质能级的加入,导电性增强,就像把禁带宽度一分为二,原先的阻碍减少了一部分,相当于禁带宽度变窄了。(纯属个人理解)

4、禁带宽度窄的半导体材料为什么不能做太阳能电池?请从理论上给予解释

禁带宽度太窄的话,少字寿命会降低,原因是复合速度变快。禁带宽度无限小的话就是导体了,所以禁带宽度太窄不能做电池。砷化镓正是因为禁带宽度较大,所以如果作成电池的话效率很高,但是成本也高,因为它是半导体中的贵族。

5、禁带宽度不是越小越好吗

一般来说是对的,禁带宽度越小,也就是说电子跃迁发生反应所需要的能量越少,光催化越容易进行.但是还要注意催化剂的电子能级和反应物的电子能级相匹配,才能有很好的催化效果

6、重掺杂禁带宽度为什么变窄

杂质能级扩展为杂质能带,将使杂质电离能减少,杂质能带进入了导带或价带,并与导带或价带相连,形成了新的简并能带,使能带的状态密度方式了变化,简并能带的尾部伸入到禁带中,导致禁带宽度减小

7、太阳能光伏电池温度升高时,为什么开路电压下降,短路电流升高?

温度升高,太阳能电池禁带宽度变窄,所以开路电压下降,因为禁带宽度变窄的同时会有更多电子可以从价带跃迁到导带,所以短路电流升高,温度对开路电压影响较明显,对短路电流影响较小,所以总体上温度升高,电池功率下降

8、按照紧束缚近似,为什么si,ge等半导体的禁带宽度随温度升高而降低

Si,Ge都是金刚石结构的半导体。原子在结合成为晶体时,价键要产生所谓的杂化(S太和回P太的杂化,SP3杂化),结答果使一条原子能级并不是简单的对应关系。

发现历史

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前。

1833年,英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 

不久,1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特性。 

1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体的第三种特性。 

在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第四种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

半导体的这四个特性,虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

2019年10月,一国际科研团队称与传统霍尔测量中仅获得3个参数相比,新技术在每个测试光强度下最多可获得7个参数:包括电子和空穴的迁移率;在光下的载荷子密度、重组寿命、电子、空穴和双极性类型的扩散长度。

以上内容参考:网络-半导体



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