宗熙先生：什么是半导体的允带和禁带？及其工作原理与应用

一、前言

在半导体物理学中，允带和禁带是描述电子在半导体材料中能量状态分布的一个重要概念，是理解半导体的电学特性、光学特性以及半导体器件的工作原理的基础。

二、允带的定义

允带（Conduction Band）是指在半导体材料中，电子能够具有的能量范围，在这个能量范围内，电子可以自由移动，从而参与导电过程。允带中的电子能量是连续分布的，这意味着电子可以具有该能量范围内的任意能量值。

在半导体中，通常有两个重要的允带，分别是价带和导带。价带是由半导体原子的价电子能级所形成的允带，在绝对零度时，价带中的所有能级都会被电子填满。

导带则是能量比价带更高的允带，在常温下部分电子可以通过吸收能量从价带跃迁到导带，从而参与导电。导带中的电子是自由电子，它们可以在晶体中自由移动，形成电流。

三、禁带的定义

禁带（Forbidden Band或称Band Gap）是指在半导体材料中，不允许电子存在的能量范围，也就是说，在禁带所对应的能量范围内，不存在电子的稳定状态。

禁带将价带和导带分隔开来，其宽度是半导体材料的一个重要物理参数。禁带宽度越大，则意味着电子从价带跃迁到允带所需的能量越多，材料越倾向于绝缘体，禁带宽度越小，材料则越倾向于导体。

四、相互关系及对半导体导电性的影响

1、相互关系

允带和禁带是相互依存、相互关联的，禁带将不同的允带分隔开来，而允带中的电子状态和能量分布又受到禁带宽度的制约。在半导体中，价带和导带之间通过禁带相互隔离，电子要实现从价带到导带的跃迁，必须跨越禁带。

这种跃迁过程可以通过吸收光子（光激发）、获得热能（热激发）或者受到外部电场的作用等方式来实现。

2、对半导体导电性的影响

半导体的导电性主要取决于导带中的电子和价带中的空穴的数量。在常温下，由于热激发，部分电子可以获得足够的能量跨越禁带从价带跃迁到导带，同时在价带中产生相应数量的空穴。

导带中的电子和价带中的空穴都可以参与导电，它们被统称为载流子。半导体的电导率与载流子的浓度和迁移率有关，禁带宽度越小，在相同温度下，能够跃迁到导带的电子数量就越多，载流子浓度也就越高，半导体的电导率也就越大。

五、允带和禁带在半导体器件中的应用

晶体管是现代电子技术中最重要的半导体器件之一，广泛应用于各种放大、开关等电路中。以双极型晶体管（BJT）为例，它由发射区、基区和集电区三个区域组成，其中发射区和集电区的半导体类型相同，而基区的半导体类型与它们相反。

在双极型晶体管的工作过程中，可以通过控制基极电流来调节发射区向基区注入的载流子数量，进而控制集电极电流的大小。这一过程涉及到电子在不同区域的允带和禁带之间的跃迁以及载流子的扩散和复合等复杂物理过程。

例如，在NPN型双极型晶体管中，发射区的电子在发射结正偏的作用下，从发射区的导带注入到基区的价带，然后部分电子在基区扩散并被集电结收集，形成集电极电流。禁带宽度和载流子的迁移率等因素对晶体管的电流放大倍数、频率响应等性能指标有着重要的影响。

六、笔者总结

综上所述，允带和禁带是半导体领域中极为重要的概念，它们决定了半导体的基本物理性质，如导电性、光学性质等，在半导体器件的设计、制造和应用中也起着重要作用。