[光学原理与应用-589]：价带、导带、禁带（带隙 Eg）图解

价带、导带、禁带带隙 Eg通俗易懂详解单个原子的电子处在一个个分立的固定能级上。当亿万原子紧密结合形成晶体原子之间相互作用原本孤立的能级会大量分裂、互相堆叠扩展成一片片连续的能带。能带描述晶体内部电子可以拥有的能量范围。三个核心概念价带Valence band\(E_v\)能量偏低绝大部分被电子填满的能带。 这里就是化学键当中的束缚电子电子被束缚在原子附近。满的价带里电子虽然可以小范围交换但不能自由长距离移动满带本身不导电。类比楼房的一楼房间几乎全部住满电子电子很难到处跑动。导带Conduction band\(E_c\)能量更高常态下大多空置的能带。 一旦电子跃迁跑到导带就挣脱化学键束缚可以在整块晶体自由移动成为可以导电的载流子。类比楼房二楼的空旷大厅电子到这里就可以自由跑动实现导电。禁带 / 带隙Band gap \(E_g\)价带的最高点到导带的最低点之间电子不允许存在的能量空白区域。 \(E_gE_c-E_v\)代表电子从价带跳到导带所需要的最小能量。电子不能停留在禁带的能量区间要么留在价带要么跳到导带不能悬在中间。类比一楼和二楼中间悬空的断层没有落脚位置想要上去必须一次性跳过这个高度。金属、半导体、绝缘体的能带差异金属导体价带与导带互相重叠没有禁带。本来就有大量电子处于导带当中不需要额外能量天生具备良好导电性。 光学表现大量自由电子光在表层就被反射、衰减块状金属不透明。半导体硅、砷化镓\(E_g\) 大约 1eV价带填满导带空置带隙比较窄。 常温热量、光子照射就可以提供足够能量把电子抬入导带产生电子‑空穴对。 以硅为例\(E_g≈1.12\mathrm{eV}\)可见光光子能量大于带隙光照就会发生本征吸收。绝缘体石英玻璃、金刚石\(E_g3\mathrm{eV}\)价带填满导带空置带隙非常宽。可见光光子能量不足无法把电子翻过巨大的能量鸿沟不会发生本征吸收因此石英玻璃对可见光透明。 只有能量更高的紫外光子才能够完成跃迁所以普通玻璃会吸收紫外线。光子和能带跃迁解释物质透光或吸光本征吸收\(h\nu \ge E_g\)光子能量大于等于带隙。价带电子吸收光子全部能量跨过禁带跃迁入导带光子直接消失同时生成一对导带电子、价带空穴。材料会吸收这个波长的光。透明透射\(h\nu E_g\)光子能量不足以让电子完成跃迁光子不会被本征吸收可以直接穿过介质材料对该波长透明。生活化比喻光子就是给电子的能量包带隙是需要翻越的墙。能量包不够大翻不过墙光子直接穿过去能量包足够电子翻墙上楼光子被吃掉。两种反向跃迁辐射复合发光导带电子跌落回价带多余能量以光子释放LED、激光二极管就是这个原理。无辐射复合电子回落能量不产生光子全部传递给晶格转化为热量。常见误区澄清❌ 带隙是物理上的空隙 ✅ 带隙是电子允许的能量区间的空白和原子几何间隙无关。❌ 价带里的电子可以自由导电 ✅ 价带填满时电子只能互相换位没有定向电流只有导带电子、价带空穴才参与导电。❌ 金属也依靠带隙跃迁 ✅ 金属不存在禁带它的光学、导电特性来自自由电子气不是带隙跃迁。一句话总结价带是电子被束缚的底层导带是电子自由奔跑的高层带隙是两者之间的能量高墙光被吸收还是透过取决于光子能量能不能翻过这道墙。