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。

金刚石具有优异的物理化学性能：高的硬度、高热导率、高光学透过性能、高化学稳定性、宽禁带宽度、负的电子亲合性、高绝缘性以及良好的生物兼容性等，这使得金刚石成为21世纪最具潜力的新型功能材料。但由于天然金刚石稀少且价格昂贵，无法应用于大规模生产中，从而限制了人们对金刚石的应用。人造金刚石具有与天然金刚石相同的结构和与之相媲美的性能，而且成本低廉，因此有着广泛的应用和商业前景。

金刚石结构

金刚石是典型的原子晶体，属于等轴晶系，它的晶格是一个复式格子，在一个面心立方原胞内有四个碳原子，这四个原子分别位于四个空间的对角线的1/4处。金刚石中碳原子的结合是由于碳原子外壳的四个价电子2s，2p3的杂化而形成共价键（sp3）。每个碳原子和周围四个碳原子共价，一个碳原子在正四面体的中心，另外四个同它共价的原子在正四面体的顶角上，中心的碳原子和顶角上每一个碳原子共用两个价电子。棒状线条视为共价键。因此得出，正四面体中心的碳原子价键的取向同顶角上的碳原子是不同的。比如：若一个的价键指向左上方，则另一个的价键必指向右下方。由于价键的取向不同，这两种碳原子周围的情况也不同，即立方体的顶角及面心上碳原子的周围情况是不同于在对角线上的四个碳原子的情况。因此，金刚石结构式复式格子，由两个面心立方的布喇菲原胞沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成。

金刚石优异性能

由于金刚石特殊的晶体结构，使金刚石具有许多优异的性能。诸如在所有的物质中具有最高的硬度（HV≈100GPa）；在30~650℃内，是热导率最优良的固体物质20W/（cm•K）；对于高纯的金刚石，除红外区（1800~2500nm）的一小带外，对红外光和可见光都具有非常优异的透光性能，可应用于短波长光、紫外线的探测器中；金刚石又是良好的绝缘体，室温下电阻率为1016Ω•cm，掺杂后可成为半导体材料，能制作高温、高频、高功率器件；此外还具备许多其他特殊的优异性能，如耐腐蚀、抗辐射、耐高温、化学惰性等。因此，由于金刚石诸多优异的性能使得金刚石在现代化的工业领域有着广泛的应用前景。

金刚石制备

高温高压(HTHP) [8]法

高温高压（HTHP）法最早是以石墨为原料的，引入适宜的金属催化剂Fe、Co、Ni、Mn、Cr等，在2000K以上温度，几万个大气压下可以合成金刚石。目前，高温高压（HTHP）法只能生长小颗粒的金刚石；在合成大颗粒金刚石单晶方面主要使用晶种法，在较高压力和较高温度下（6000MPa，1800K），几天时间内使晶种长成粒度为几个毫米，重达几个克拉的宝石级人造金刚石，较长时间的高温高压使得生产成本昂贵，设备要求苛刻。而且HTHP金刚石由于使用了金属催化剂，使得金刚石中残留有微量的金属粒子，因此要想完全取代天然金刚石还有相当的距离[9]。

1.3.2化学气相沉积(CVD) [10]法

化学气相沉积（CVD）法是在高温条件下使原料分解，生成碳原子或甲基原子团等活性粒子，并在一定工艺条件下，在基材（衬底）材料上沉积生长金刚石膜的方法。常见的CVD方法包括：热化学沉积（TCVD）法，等离子体化学气相沉积（PCVD）法。等离子体化学气相沉积法又可以分为直流等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）法、射频等离子体化学气相沉积（RF-PCVD） 法和微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法及微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PCVD）法等。

微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）由于微波激发等离子体具有无极放电、污染少、等离子体密度高、成本低、衬底外形适应性强等优点，受到国内外研究者的普边关注。而且其中等离子体是由微波激发产生，微波能通过波导管传输到沉积生长室，使气体激发成为等离子体并分解为各种基团。圆筒状微波等离子体CVD是最基本的一种装置，通过矩形波导管把2.45GHz的微波限制在发生器和生长室之间，衬底经微波辐射和等离子体加热。

微波等离子体CVD法（MPCVD）与热丝CVD法（HFCVD）相比，避免了HFCVD法中因热金属丝蒸发而对金刚石造成的污染以及热金属丝对强腐蚀性气体（如高浓度氧、卤素气体等）十分敏感的缺点，使得在工艺中能够使用的反应气体的种类比HFCVD中多许多；与直流等离子体炬相比，微波功率调节连续平缓，使得沉积温度可连续稳定变化，克服了直流电弧法中因电弧的点火及熄灭而对衬底和金刚石的巨大热冲击所造成的金刚石晶粒容易从基片上脱落的问题[18]；通过对MPCVD反应室结构的调整，可以在沉积腔中产生大面积而又稳定的等离子体球，有利于大面积、均匀地沉积金刚石，这一点又是火焰法所难以实现的[19]。因而MPCVD法制备金刚石的优越性在目前的制备中显得十分突出。

金刚石，金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。

金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。唯Ⅱb型金刚石具良好的半导体性能。

根据金刚石的氮杂质含量和热、电、光学性质的差异，可将金刚石分为Ⅰ型和Ⅱ型两类，并进一步细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四个亚类。Ⅰ型金刚石，特别是Ⅰa亚型，为常见的普通金刚石，约占天然金刚石总量的98%。

Ⅰ型金刚石均含有一定数量的氮，具有较好的导热性、不良导电性和较好的晶形。Ⅱ型金刚石极为罕见，含极少或几乎不含氮，具有良好的导热性和曲面晶体的特点。Ⅱb亚型金刚石具半导电性。由于Ⅱ型金刚石的性能优异，因此多用于空间技术和尖端工业。

扩展资料：

在新型应用领域，金刚石依然十分优秀，在高频大功率器件、光学窗口、高能粒子探测器、量子信息、生物传感器等领域具有巨大的应用潜力。

尤其随着微电子行业的发展，在经历了第一代半导体材料锗、硅，第二代半导体材料InP、GaAs，第三代半导体材料SiC、GaN之后，人们逐渐将目光聚焦到具有更大禁带宽度的氧化镓、金刚石、氮化铝等超宽禁带半导体材料上，金刚石半在导体器件领域绽放光芒。

金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为5.5 eV，比GaN、SiC等宽禁带半导体材料还要大。

参考资料来源：百度百科-金刚石

---