能隙

在半导体物理学中

科学家利用带隙来预测一种固体是否会导电。大多数电子（称为价电子）只被一个原子的原子核所吸引。但是，如果一个电子有足够的能量飞离它最近的原子核，它就可以加入构成固体的许多原子之间的电流流动。那些没有紧紧附着在一个原子核上的电子被称为传导带。

在半导体和绝缘体中，量子力学表明，电子只存在于一些能量带中。电子被禁止进入其他能级。带隙一词是指价带顶部和导带底部的能量差。电子能够从一个带子跳到另一个带子。然而，一个电子需要一定的能量才能从价带跳到导带。不同材料所需的能量是不同的。电子可以通过吸收声子（热）或光子（光）来获得足够的能量以跳到传导带。

半导体是一种具有较小但非零带隙的材料，在绝对零度（0K）时表现为绝缘体，但在低于其熔点的温度下允许热量激发电子，使其跳入导带。相反，一个具有大带隙的材料是一个绝缘体。在导体中，价带和导带可能重叠，所以它们可能没有带隙。

本质半导体的导电性在很大程度上取决于带隙。唯一可用于传导的载流子是具有足够热能的电子，可以被激发穿过带隙。

带隙工程是通过控制某些半导体合金，如GaAlAs、InGaAs和InAlAs的组成来控制或改变材料的带隙。也可以通过分子束外延等技术来构建具有交替成分的层状材料。这些方法被用于设计异质结双极晶体管（HBT）、激光二极管和太阳能电池。

很难在半导体和绝缘体之间划出一条界限。一种方法是将半导体视为一种具有窄带隙的绝缘体。具有较大带隙的绝缘体，通常大于3eV，^[源?]不被归入半导体组，而且在实际条件下一般不表现出半导体行为。电子迁移率也在决定一种材料作为半导体的非正式组别中起作用。

半导体的带隙能随着温度的升高而趋于减少。当温度升高时，原子振动的振幅增加，导致原子间的间距增大。晶格声子与自由电子和空穴之间的相互作用也会对带隙有一些影响。带隙能量和温度之间的关系可以用Varshni的经验表达式来描述。

E g ( T ) = E g ( )0 - α T T 2+ β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{frac {alpha T^{2}}{T+\beta }} ，其中E(0)和α是材料常数。其中E(_g0)、α和β是材料常数。

在一个普通的半导体晶体中，由于连续的能量状态，带隙是固定的。在量子点晶体中，带隙与尺寸有关，可以被改变以产生价带和导带之间的能量范围。这也被称为量子禁锢效应。

带隙也取决于压力。带隙可以是直接的或间接的，取决于电子带结构。

数学解释

传统上，能量差为ΔE的两个状态被电子占据的概率之比由玻尔兹曼系数给出。

e ( - Δ E k T ) {\displaystyle e^{left({frac {-Delta E}{kT}}}right)}}。

其中。

• e是欧拉数（自然对数的基数）。
• ΔE是能量差
• k是玻尔兹曼常数
• T是温度。

在费米级（或化学势），一个状态被占据的概率是½。如果费米级位于1eV的带隙中间，那么10⁻⁹在室温热能为25.9meV时，这一概率为e⁻²⁰或约2.0⋅。

光伏电池

电子可以被光激发，也可以被热激发。带隙决定了光伏电池吸收太阳光谱的哪一部分。发光太阳能转换器使用发光介质将能量高于带隙的光子降频为能量接近于组成太阳能电池的半导体带隙的光子。

带隙列表

材料	符号	带隙（eV） @ 302K	参考资料
硅胶	矽	1.11
硒	座位	1.74
锗	阁	0.67
碳化硅	SiC	2.86
磷化铝	AlP	2.45
砷化铝	AlAs	2.16
锑化铝	AlSb	1.6
氮化铝	AlN	6.3
钻石	C	5.5
磷化镓（III）	GaP	2.26
砷化镓 (III)	砷化镓	1.43
氮化镓 (III)	氮化镓	3.4
硫化镓（二）	GaS	2.5
锑化镓（Gallium antimonide	GaSb	0.7
锑化铟	InSb	0.17
氮化铟(III)	在N	0.7
磷化铟(III)	茵宝	1.35
砷化铟（III）	InAs	0.36
二硅化铁	β-FeSi 2	0.87
氧化锌	ZnO	3.37
硫化锌	ZnS	3.6
硒化锌	ZnSe	2.7
碲化锌	ZnTe	2.25
硫化镉	CdS	2.42
硒化镉	CdSe	1.73
碲化镉	碲化镉	1.49
硫化铅 (II)	PbS	0.37
硒化铅(II)	PbSe	0.27
碲化铅(II)	PbTe	0.29
氧化铜(II)。	钴元素	1.2
氧化铜 (I)	钴2元素	2.1

半导体带状结构。


肖克利-奎塞尔极限给出了单结太阳能电池在不集中的阳光下的最大可能效率，是半导体带隙的函数。如果带隙太高，大多数日光光子就不能被吸收；如果带隙太低，那么大多数光子的能量远远超过激发电子穿过带隙所需的能量，其余的能量就被浪费了。商业太阳能电池中常用的半导体的带隙接近该曲线的峰值，例如硅（1.1eV）或CdTe（1.5eV）。肖克利-奎塞尔极限可以通过串联太阳能电池、将太阳光集中到电池上以及其他方法来超越。

在光子学和声子学方面

在光子学中，带隙或停止带是光子频率的范围，如果忽略隧道效应，没有光子可以通过材料传输。表现出这种行为的材料被称为 "光子晶体"。

类似的物理学也适用于声子晶体中的声子。