直接带隙和间接带隙的分析介绍

禁带宽度E_g是半导体的一个重要特征参量，是指使电子从价带顶E_v跃迁到导带底E_c的能量，其定义式为

E_g=E_c-E_v （3.10）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。常见半导体材料（T=300K）锗的禁带宽度为0.67eV，硅的禁带宽度为1.12eV，砷化镓的禁带宽度为1.42eV^[13]。

温度、光照均可以激发价带的电子跃迁到导带，形成电子—空穴对，这个过程称为本征吸收；光照致使的本征吸收称为本征光吸收，本征光吸收的光子能量E必须满足E≥E_g。此时，能量为E的光子对应的波长称为本征吸收边^[14]，有

由式（3.2）和式（3.6）可知，若导带底E_c和价带顶E_v在k空间相同的点，即k_c=k_v，那么只要入射光子的能量E≥E_g，就可以使价电子跃迁到导带而产生出光生电子—空穴对，这样的跃迁称为竖直跃迁，这样的半导体称为直接带隙半导体。GaAs就是典型的直接带隙半导体。(www.xing528.com)

如果导带底E_c和价带顶E_v位于k空间不同点，即k_c≠k_v，这样的半导体称为间接带隙半导体。Si、Ge都是典型的间接带隙半导体。在间接带隙半导体中，仅有能量E≥E_g的入射光子，不足以产生电子—空穴对。为了实现电子的跃迁，还需要满足动量变化的守恒条件。因为光子几乎没有动量，动量的变化一般由反映晶格振动的声子提供。也就是说，价带电子要想实现跃迁，必须在吸收光子的同时伴随着吸收或者发射一个声子，光子提供跃迁所需的能量，而声子则提供跃迁所需的准动量。在间接带隙半导体中，需要动量为的声子供应充足，才能吸收入射光子。因此，间接带隙半导体的受激吸收较弱，而且与温度T密切相关。这也就是为什么间接带隙半导体制备的太阳电池，其转换效率η一般比直接带隙半导体低。图3.7对比给出了以GaAs为典型代表的直接带隙和以晶体Si为典型代表的间接带隙半导体材料的能带图^[2]。

图3.7 直接带隙半导体GaAs材料和间接带隙半导体Si材料的能带图

a）直接带隙半导体GaAs材料的能带图 b）间接带隙半导体Si材料的能带图