在晶體中，電子處于所謂能帶狀態(tài)，而能帶與能帶之間隔離著禁帶。半導(dǎo)體最重要的能帶就是價(jià)帶和導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差即稱為禁帶寬度。

禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。對于不同的半導(dǎo)體其值肯定是不同的。

半導(dǎo)體價(jià)帶中的大量電子都是價(jià)鍵上的電子，不能夠?qū)щ?，即不?/span>載流子。只有當(dāng)價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生出自由電子和自由空穴后，才能夠?qū)щ?。因此，禁帶寬度的大小?shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量。

通常定義導(dǎo)帶的最低能量為E_C，即導(dǎo)帶底部的能量；定義價(jià)帶中的最高能量為E_V，即價(jià)帶頂部的能量，則禁帶寬度Eg為將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的最小能量，即Eg=E_C-E_V

  電離能指的是將一個(gè)電子從原子中完全的分離出來，并將其移動(dòng)至真空能級。嚴(yán)格上來講，電離能與將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的能量并不相同。電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的轉(zhuǎn)移是激發(fā)，不是電離。在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域中采用“電離”一詞，原因是導(dǎo)帶中電子表現(xiàn)得像自由電子一樣。但實(shí)際上，導(dǎo)帶電子依舊被晶格強(qiáng)烈影響的事實(shí)導(dǎo)致它們被區(qū)別于自由電子。下表對兩者進(jìn)行了數(shù)值對比，兩者存在明顯的區(qū)別。

一些材料的禁帶寬度和嚴(yán)格意義的電離能

  可以從晶體的禁帶寬度對導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體重新進(jìn)行認(rèn)識(shí)。金屬導(dǎo)體在絕對零度時(shí)，其全部價(jià)電子只能填滿其對應(yīng)能帶的下半部，上半部則完全空著，因而其完全空著的能帶（導(dǎo)帶）和完全被電子占滿的能帶（價(jià)帶）之間沒有能量間隙，即沒有禁帶，或者說禁帶寬度為零。跟半導(dǎo)體中能量最高的一個(gè)滿帶是價(jià)帶不同，金屬導(dǎo)體的所有滿帶都由內(nèi)層電子占據(jù)著。一般認(rèn)為，絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)及其在絕對零度時(shí)被電子填充的情況與半導(dǎo)體有些相似，即絕對零度下所有能帶要么全滿，要么全空。所不同的是，絕緣體全空能帶跟離它最近的一個(gè)全滿能帶之間的能隙較寬，即禁帶寬度非常寬。三者的能帶示意圖如下：

過去單純從禁帶寬度區(qū)分半導(dǎo)體和絕緣體，以至把現(xiàn)在普遍認(rèn)可并非常看重的一些寬禁帶半導(dǎo)體，例如金剛石和氮化鋁等都?xì)w類于絕緣體。金剛石和氮化鋁確實(shí)禁帶很寬，都在5eV以上，其價(jià)帶電子在室溫乃至相當(dāng)高溫度下都難以向?qū)Ъぐl(fā)，因而它們在純凈狀態(tài)下跟絕緣體一樣，其導(dǎo)帶在較高溫度下也幾乎沒有電子。但是，跟硅這些典型半導(dǎo)體一樣，適當(dāng)?shù)膿诫s，也會(huì)在一定的溫度下產(chǎn)生導(dǎo)帶中的電子，因而它們其實(shí)也是半導(dǎo)體。

根據(jù)半導(dǎo)體材料禁帶寬度的不同，可分為寬禁帶半導(dǎo)體材料和窄禁帶半導(dǎo)體材料。如果禁帶寬度小于2.0eV，則稱為窄禁帶半導(dǎo)體材料，如鍺、硅等；如果禁帶寬度在2.0~6.0eV之間，則稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，如SiC和GaN等。

目前，SiC是應(yīng)用于大功率功率變換器的熱門的寬禁帶材料。SiC具有低功率損耗、高開關(guān)速度、高耐溫性能和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，因此，SiC材料除了能夠降低系統(tǒng)的損耗、提升開關(guān)頻率和降低系統(tǒng)體積外，還能夠適應(yīng)更加惡劣的應(yīng)用環(huán)境，從而拓寬功率變換器的應(yīng)用領(lǐng)域。

文章來源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體