半導體能帶理論

半導體能帶理論是對以下問題的量子解釋：為什麼有些材料導電、有些絕緣，而極少數珍貴的材料——半導體——則介於兩者之間，隨時可供調控。在單個原子裡，電子佔據著尖銳、分立的能級。把數以萬億計的原子聚攏成一塊晶體，那些能級便鋪展、合併成一段段被允許能量的寬廣區間，稱為能帶，其間隔著一些禁帶——那裡根本不存在電子的態。這些能帶如何被填滿，決定了一種材料電學行為的一切。

起決定作用的特徵，是最高的被填滿能帶——價帶，以及緊挨其上的空能帶——導帶，二者之間隔著一道能隙。在金屬裡，能帶彼此重疊或只被部分填滿，於是電子自由運動、電流輕易流過。在絕緣體裡，能隙很大，電子被困住動彈不得。半導體則有一道不大不小的能隙：在低溫下它幾乎不導電，但一點點熱、光，或摻入的雜質，就能把電子提過能隙，使導電開啟，並在身後留下可移動的正「空穴」。

正是這種可調性，構成了現代電子學的全部基礎。通過有意摻入極微量的雜質——這一過程稱為摻雜——工程師能讓一塊半導體充滿多餘的電子或多餘的空穴，再把摻雜方式不同的區域接合起來，便造出二極體、電晶體、太陽能電池，以及每一塊微晶片裡擠進的數以十億計的開關。能帶理論誕生於把量子力學應用於晶體中的電子，是每一台電腦和手機背後那默默無聞的物理。