直接和间接带隙半导体

直接和间接带隙半导体

半导体材料是现代科技的核心，直接带隙半导体和间接带隙半导体是半导体材料的两种重要类型。本文将从半导体的定义、带隙的概念、直接和间接带隙半导体的区别、性质、应用以及发展趋势等方面进行详细阐述。

半导体的定义及其性质

半导体是指电阻率介于金属和绝缘体之间，并具有负的电阻温度系数的物质。换句话说，半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，其中硅在商业应用上最具影响力。

半导体的导电性主要由“导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带”（valence band）获得能量而跳跃至“导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。常见的金属材料其导电带与价电带之间的“能量间隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电；而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此，只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。

带隙的概念

带隙就是导带的最低点和价带的最高点的能量之差（Eg）。

直接带隙半导体和间接带隙半导体

直接带隙半导体

直接带隙半导体是指导带边和价带边处于k空间相同点的半导体。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。直接带隙半导体的重要性质是：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着电子在跃迁过程中，动量可保持不变——满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落到价带（即电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变——直接复合，即电子与空穴只要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。因此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出（因为没有声子参与，故也没有把能量交给晶体原子）——发光效率高（这也就是为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作的根本原因）。

直接带隙半导体的例子有GaAs、InP、InSb等。

间接带隙半导体

间接带隙半导体是指导带边和价带边处于k空间不同点的半导体。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。间接带隙半导体的例子有Ge、Si等。在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多。

简单点说，从能带图谱可以看出，间接带隙半导体中的电子在跃迁时K值会发生变化，这意味着电子跃迁前后在K空间的位置不一样了，这样会极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变成热能释放掉。而直接带隙中的电子跃迁前后只有能量变化，而无位置变化，于是便有更大的几率将能量以光子的形式释放出来。另一方面,对于间接跃迁型，导带的电子需要动量与价带空穴复合。因此难以产生基于再结合的发光。想让间接带隙材料发光，可以采用掺杂引入发光体，将能量引入发光体使其发光（提高发光效率）。

半导体的应用

半导体器件包括光学窗口、透镜等、集成电路、分立器件、敏感元件、能量转换器件、电子转换器件、电子电力器件、激光管、发光二级管、晶体三极管、晶体二极管、Si集成电路、混合集成电路、GaAs集成电路、双极型电路、金属氧化物半导体型电路、双极MOS电路等。

半导体的发展趋势

硅在可预见的将来依然是主要元素化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到进一步的发展，重点将是GaAs、InP、GaN等大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将得到进一步的发展低维结构材料进一步发展相关检测技术发展。

半导体材料的发展是推动信息时代前进的原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一直是人们关注的重点。从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、DVD和多媒体技术的飞速发展。第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓(GaN)材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅(SiC)和氧化锌(Zn0)等宽禁带材料。具有强度大，耐高温、耐缺陷、不易退化等优点。