過周圍折射率分布結構,可以形成不發射活性中心光的禁帶能級結構。
簡介
每個原子處於孤立狀態時，電子具有相同的能級結構。如果將單個孤立原子看做一個系統，那么每個電子能級都是簡併的。當兩個原子互相靠近時，它們之間的相互作用就會增強。首先是最外層的波函式發生交疊。原孤立原子的電子能級就要解除簡併，具有相同能量的幾個能級將分裂為具有不同能量值的幾個能級。原子間距越小，電子波函式的交疊就越厲害，分裂出來的能級之間的能量差距就越大。原來在某一能級上的電子分別處在分裂的能級上，這時電子不再屬於某一個原子，而為兩個原子所共有。當N個原子互相靠近結合成晶體後，每個電子都要受到周圍原子勢場的作用，使每個簡併的能級都分裂成N個彼此相距很近的能級。實際的晶體，由於原子數N很大，分裂出來的能級十分密集，形成能量數值上準連續的能帶。這時電子不再屬於某一個原子，而是在晶體中做共有化運動。分裂的每個能帶都稱為允帶，允帶之間沒有能級稱為禁帶。原子內層的電子原來處於低能級，電子的波函式交疊很小，可以認為基本上不受千擾。外層電子原來處於高能級，公有化運動很顯著，其能級分裂得很厲害，能帶很寬。因此，固體材料在電學性質上的差異與外層電子狀態有很大關係。
根據泡利不相容原理，每個原子能級上能夠容納自旋方向相反的兩個電子，因此由Ⅳ個能級組成的能帶中可容納2N個電子。根據電子先占據低能態這一原理，下面能帶填滿了電子，上面的能帶沒有電子占據。對於滿帶，所有能級均被電子占據，在外電場作用下，電子並不能形成電流。對於被電子部分占據的能帶，在外電場作用下，電子可以吸收能量躍遷到未被電子占據的能級去，從雨形成電流，起導電作用。對於任何半導體材料，都有一個禁止能量區，在禁止能量區內不存在允許的能帶。在這一能隙的上方允許有能量區或能帶，稱為導帶；能隙的下方允許有能量區或能帶，稱為價帶。導帶最低能量與價帶最高能量的間隙稱為帶隙死，即禁頻寬度。價鍵上的電子激發成為準自由電子，即價帶電子激發成為導帶電子的過程，稱為本徵激發。
半導體晶體的能帶結構是用E（k）與七的關係來表示的。根據導帶底和價帶頂所對應的庀值位置，可分為兩種能帶結構。一種是導帶極小值與價帶極大值處於相同的七值處（包括k＝0的布里淵區原點，Γ點），稱為直接帶隙半導體；另一種是導帶極小值與價帶極大值處於不同的七值處，稱為間接帶隙半導體。由於兩類半導體在能帶結構上的差別，使它們的電學性質和光學性質都表現出很大的差異。下面介紹幾種重要半導體的能帶結構。
矽和鍺的能帶結構如圖1所示。通過理論計算和實驗結果得出，矽和鍺的價帶頂位於k＝0，即布里淵區中心。在k＝0處，E（k）有兩個極大值相重合，表明有兩種不同的有效質量。圖中上面能帶曲線的d較小，相應的空穴有效質量較大，稱為重空穴帶，重空穴有效質量用（mp）h表示；相應的空穴有效質量較小，稱為輕空穴帶，輕空穴有效質量用（mp）1表示。在實際晶體中，由於自旋－軌道耦合作用使能量E（k）降低了△，因此給出了第三種空穴有效質量（mp）3。由於這個能帶離開價帶頂，在討論半導體的光吸收和光輻射時，可以忽略自旋－軌道耦合分離能帶的作用。但是非輻射複合與這一能帶密切相關。
