一、前言

在半導體物理學中，允帶和禁帶是描述電子在半導體材料中能量狀態(tài)分布的一個重要概念，是理解半導體的電學特性、光學特性以及半導體器件的工作原理的基礎。

二、允帶的定義

允帶（Conduction Band）是指在半導體材料中，電子能夠具有的能量范圍，在這個能量范圍內，電子可以自由移動，從而參與導電過程。允帶中的電子能量是連續(xù)分布的，這意味著電子可以具有該能量范圍內的任意能量值。

在半導體中，通常有兩個重要的允帶，分別是價帶和導帶。價帶是由半導體原子的價電子能級所形成的允帶，在絕對零度時，價帶中的所有能級都會被電子填滿。

導帶則是能量比價帶更高的允帶，在常溫下部分電子可以通過吸收能量從價帶躍遷到導帶，從而參與導電。導帶中的電子是自由電子，它們可以在晶體中自由移動，形成電流。

三、禁帶的定義

禁帶（Forbidden Band或稱Band Gap）是指在半導體材料中，不允許電子存在的能量范圍，也就是說，在禁帶所對應的能量范圍內，不存在電子的穩(wěn)定狀態(tài)。

禁帶將價帶和導帶分隔開來，其寬度是半導體材料的一個重要物理參數(shù)。禁帶寬度越大，則意味著電子從價帶躍遷到允帶所需的能量越多，材料越傾向于絕緣體，禁帶寬度越小，材料則越傾向于導體。

四、相互關系及對半導體導電性的影響

1、相互關系

允帶和禁帶是相互依存、相互關聯(lián)的，禁帶將不同的允帶分隔開來，而允帶中的電子狀態(tài)和能量分布又受到禁帶寬度的制約。在半導體中，價帶和導帶之間通過禁帶相互隔離，電子要實現(xiàn)從價帶到導帶的躍遷，必須跨越禁帶。

這種躍遷過程可以通過吸收光子（光激發(fā)）、獲得熱能（熱激發(fā)）或者受到外部電場的作用等方式來實現(xiàn)。

2、對半導體導電性的影響

半導體的導電性主要取決于導帶中的電子和價帶中的空穴的數(shù)量。在常溫下，由于熱激發(fā)，部分電子可以獲得足夠的能量跨越禁帶從價帶躍遷到導帶，同時在價帶中產生相應數(shù)量的空穴。

導帶中的電子和價帶中的空穴都可以參與導電，它們被統(tǒng)稱為載流子。半導體的電導率與載流子的濃度和遷移率有關，禁帶寬度越小，在相同溫度下，能夠躍遷到導帶的電子數(shù)量就越多，載流子濃度也就越高，半導體的電導率也就越大。

五、允帶和禁帶在半導體器件中的應用

晶體管是現(xiàn)代電子技術中最重要的半導體器件之一，廣泛應用于各種放大、開關等電路中。以雙極型晶體管（BJT）為例，它由發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)三個區(qū)域組成，其中發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的半導體類型相同，而基區(qū)的半導體類型與它們相反。

在雙極型晶體管的工作過程中，可以通過控制基極電流來調節(jié)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的載流子數(shù)量，進而控制集電極電流的大小。這一過程涉及到電子在不同區(qū)域的允帶和禁帶之間的躍遷以及載流子的擴散和復合等復雜物理過程。

例如，在NPN型雙極型晶體管中，發(fā)射區(qū)的電子在發(fā)射結正偏的作用下，從發(fā)射區(qū)的導帶注入到基區(qū)的價帶，然后部分電子在基區(qū)擴散并被集電結收集，形成集電極電流。禁帶寬度和載流子的遷移率等因素對晶體管的電流放大倍數(shù)、頻率響應等性能指標有著重要的影響。

六、筆者總結

綜上所述，允帶和禁帶是半導體領域中極為重要的概念，它們決定了半導體的基本物理性質，如導電性、光學性質等，在半導體器件的設計、制造和應用中也起著重要作用。