能帶理論與電子結構

能隙

/ band gap /

把晶體裡被允許的那些能量想像成一棟樓裡的樓層,電子就住在這些樓層上。能帶就是樓層——一層一層擠滿房間的寬闊區段。但有些樓層之間根本就沒有樓層:那是一段能量區間,電子無論怎麼掙扎都不可能待在裡面。這段空蕩蕩的禁區,就是能隙。

能隙是一段不存在任何允許電子態的能量範圍。下方能帶裡的電子,不可能取到能隙內部某處的能量;要想越過去,它必須吸收一份至少和能隙一樣大的能量,乾淨俐落地跳到上方的能帶。能隙的大小通常以電子伏特為單位,是描述一種材料最重要的幾個數字之一。

能隙之所以重要,是因為它決定了電流能否流動、以及材料會吸收或發出哪些顏色的光。大約一電子伏特的能隙給出有用的半導體;幾個電子伏特的能隙給出絕緣體;完全沒有能隙則給出金屬。一個常見的混淆是把能隙當成原子之間的物理空隙——它不是;它是能量上的空隙,是允許能量這架梯子上空缺的一段。

矽的能隙約為 1.1 電子伏特,而鑽石——化學上算是矽的表親——的能隙約為 5.5 電子伏特。正是這點差別,使得矽晶片可以被誘導去導電、去開關,而透明的鑽石卻始終是一塊頑固的絕緣體,任憑可見光徑直穿過。

小能隙(矽)造出半導體;大能隙(鑽石)造出絕緣體。

在日常用法裡,能隙和能隙說的是同一回事;本領域把能隙(energy gap)單列,是為了強調它指的是那段禁區的可測量大小,而能隙(band gap)命名的是禁區本身。

又稱
forbidden gap带隙能隙