一般的液体在结构上也是无定型的,因此像水也是透光的。事实上,玻璃的原子排布形式在晶体学上叫“玻璃态”,而玻璃态的物质同时也被成为“过冷液体”。我们知道,一般晶体物质在到达其凝固点时会结晶。这个结晶的过程实际上包括两步,一是原子不再可以随处运动,而是被固定在一定的位置上,二是原子的排布由不规则排列转变为规则排列。而玻璃态的物质在这时候只经历了第一个过程,而原子不规则的排列的状态则被“冷冻”了下来。玻璃和液体的原子排列方式实际上是一样的。
以上是对这个问题的一般的分析,实际的问题还要更复杂,因为以上的情况都是比较理想化的理论抽象,实际的情况得具体看物质内部的原子分布情况而定。就像物质不可能完全纯净一样,物质的结构也不可能完全单一。晶体内部也可能有玻璃态,玻璃态内部也有局部的晶态。
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。
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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。
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