2-29　什么是能级？什么是能带？

半导体材料的物理性质是与电子和空穴的运动状态密切相关的，而它们运动状态的描述和理解建立在能带理论的基础上。从大的范围讲，半导体的物理性质是建立在能带理论上的。因此，要想了解半导体材料，必须要对能带有所了解。那么什么是能带呢？

要想了解能带，首先必须了解什么是能级。

在原子中，电子围绕原子核是按层分布的，每个电子的能量（或运动的轨道）是固定的。在原子中，最外层的电子离原子核最远，原子核对它的吸引力最小，而最靠近原子核的那层电子，原子核对它的吸引力最大。所以，如果第一层的电子要跳到第二层，它就必须要有一定的能量来克服原子核对它的吸引；如果这个电子的能量很小，不足以克服原子核的吸引力，那么它只能在第一层运动。可见，只有能量较大的电子才能从第一层跳到第二层，因此，第二层上电子的能量大于第一层上电子的能量。由此类推，越外层上的电子能量越大。

在物理学中，常常用能量图来描述电子在不同轨道上所具有的能量。如果把电子所具有的能量由低到高依次用坐标来表示，那么就可以看出，它们的能量是一级级地增加上去的，如图2-12所示。

图2-12　电子的能级

图2-12的右边是电子运动轨道的示意图，左边是电子的能级图。图中E_K、E_L、E_M、E_N分别表示电子处于K、L、M、N各层上所具有的能量，这些标志电子能级高低的线条称为电子的能级。

以上讨论了在一个孤立原子中的电子状态。在通常情况下，物质都是由大量原子组成的。在半导体中，大量的原子按一定的规律和周期排列成晶体。由于原子和原子之间靠得非常近，所以价电子不仅受到原来所属的原子核的影响，还要受到相邻原子核的影响。这样，价电子就不再属于个别原子所“私有”，即不仅仅是围绕某个原子核运动，而是属于整个晶体所“共有”的，它能够在整个晶体中运动。此时，属于某个原子核的价电子可以运动到别的原子的相应的能级上去。价电子的这种运动称为共有化运动。

这里就提出了一个问题：当价电子在整个晶体中运动时，它所具有的能量是否和围绕一个原子核运动时所具有的能量一样呢？或者说，它们的能级有没有变化？实际上，它们的能级是有变化的。这些“共有化”的价电子不像围绕一个原子核运动时那样只能有一个固定的能量，即只有一个固定的能级，而是具有若干个分布在一定范围内的能级。这些能级相互之间靠得非常近，基本上连成一片，这些连成一片的能级就称为能带。