能隙

在固态物理学中，带隙（也称为能隙）是固体中不存在电子态的能量范围。 在固体的电子能带结构图中，带隙通常是指绝缘体和半导体中价带顶部和导带底部之间的能量差（以电子伏特为单位）。 它是促使与原子结合的价电子成为传导电子所需的能量，它可以在晶格内自由移动并作为电荷载体传导电流。 它与化学中的HOMO/LUMO间隙密切相关。 如果价带完全满而导带完全空，则电子无法在固体内移动，因为没有可用状态。 如果电子不能在晶格内自由移动，则由于没有净载流子迁移率而不会产生电流。 但是，如果一些电子从价带（大部分是满的）转移到导带（大部分是空的），则电流可以流动（参见载流子的产生和复合）。 因此，带隙是决定固体电导率的主要因素。 带隙大的物质一般是绝缘体，带隙小的是半导体，而导体要么带隙很小，要么没有，因为价带和导带重叠形成连续带。

每个固体都有自己特有的能带结构。 能带结构的这种变化是导致在各种材料中观察到的广泛电特性的原因。根据尺寸，能带结构和光谱可能会有所不同。 不同类型的维度如下所列：一维、二维和三维。

在半导体和绝缘体中，电子被限制在许多能量带内，并且被禁止进入其他区域，因为没有允许它们占据的电子状态。 术语带隙是指价带顶部和导带底部之间的能量差。 电子能够从一个带跳到另一个带。 然而，为了将价带电子提升到导带，它需要特定的最小跃迁能量。 这种所需的能量是固体材料的固有特性。 电子可以通过吸收声子（热）或光子（光）获得足够的能量以跳到导带。

半导体是一种具有中等尺寸、非零带隙的材料，在 T=0K 时表现为绝缘体，但允许电子在低于其熔点的温度下热激发进入其导带。 相反，带隙大的材料是绝缘体。 在导体中，价带和导带可能重叠，因此不再存在带电子态禁区的带隙。

本征半导体的电导率在很大程度上取决于带隙。 xxx可用的传导电荷载流子是具有足够热能以在带隙中被激发的电子，以及当这种激发发生时被遗弃的电子空穴。

带隙工程是通过控制某些半导体合金（例如 GaAlAs、InGaAs 和 InAlAs）的成分来控制或改变材料带隙的过程。 也可以通过分子束外延等技术构建具有交替成分的层状材料。 这些方法被用于设计异质结双极晶体管 (HBT)、激光二极管和太阳能电池。

半导体和绝缘体之间的区别是一个约定俗成的问题。 一种方法是将半导体视为一种具有窄带隙的绝缘体。 带隙较大（通常大于 4 eV）的绝缘体不被视为半导体，在实际条件下通常不会表现出半导体行为。 电子迁移率还在确定材料的非正式分类方面发挥作用。

半导体的带隙能量倾向于随着温度升高而降低。 当温度升高时，原子振动的幅度增加，导致原子间距变大。 晶格声子与自由电子和空穴之间的相互作用也会对带隙产生较小程度的影响。 带隙能量和温度之间的关系可以用 Varshni 的经验表达式（以 Y. P. Varshni 命名）来描述，

E g ( T ) = E g ( 0 ) − α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T{2} }{T+\beta }}} ，其中 Eg(0)、α 和 β 是材料常数。

此外，晶格振动随温度增加而增加，这增加了电子散射的影响。