半导体能带理论

半导体能带理论是对以下问题的量子解释：为什么有些材料导电、有些绝缘，而极少数珍贵的材料——半导体——则介于两者之间，随时可供调控。在单个原子里，电子占据着尖锐、分立的能级。把数以万亿计的原子聚拢成一块晶体，那些能级便铺展、合并成一段段被允许能量的宽广区间，称为能带，其间隔着一些禁带——那里根本不存在电子的态。这些能带如何被填满，决定了一种材料电学行为的一切。

起决定作用的特征，是最高的被填满能带——价带，以及紧挨其上的空能带——导带，二者之间隔着一道能隙。在金属里，能带彼此重叠或只被部分填满，于是电子自由运动、电流轻易流过。在绝缘体里，能隙很大，电子被困住动弹不得。半导体则有一道不大不小的能隙：在低温下它几乎不导电，但一点点热、光，或掺入的杂质，就能把电子提过能隙，使导电开启，并在身后留下可移动的正「空穴」。

正是这种可调性，构成了现代电子学的全部基础。通过有意掺入极微量的杂质——这一过程称为掺杂——工程师能让一块半导体充满多余的电子或多余的空穴，再把掺杂方式不同的区域接合起来，便造出二极管、晶体管、太阳能电池，以及每一块微芯片里挤进的数以十亿计的开关。能带理论诞生于把量子力学应用于晶体中的电子，是每一台计算机和手机背后那默默无闻的物理。