一、禁带宽度基础认知

禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(ev))，即根据带隙的定义：导带的最低点和价带的最高点能量之差，如下图所示，带隙(禁带宽度)越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也越低。不同材料禁带宽度各异，例如硅约为1.12eV，砷化镓约为1.424eV 。温度升高，禁带宽度一般会减小；高浓度掺杂也会使其变窄。

二、不同禁带宽度材料特性

（一）窄禁带宽度材料

以锗为代表，其禁带宽度小，电子跨越禁带容易，低温下有较好导电性。但高温时，电子大量被激发，漏电流剧增，导致性能不稳定，所以在对温度要求高的芯片场景中受限。

（二）中等禁带宽度材料

硅是典型代表，因储量丰富、成本低，且氧化层能自然生长，便于制造MOSFET，成为当前芯片制造的常用材料。然而，硅的电子迁移率低，耐压和耐温能力弱，最高工作温度仅约150℃，在高频和高温环境下难以满足需求。锗和硅都属于第一代半导体材料。

（三）宽禁带宽度材料

碳化硅和氮化镓等材料为第三代半导体材料，具备诸多优势。它们击穿电场强度高，可承受高电压，减少电流泄漏；电子迁移速度快，在高频工作中表现出色；热导率良好，散热快，能在高温环境下稳定运行，工作温度可达300℃，可用于高温、高频、抗辐射及大功率器件，也是目前国家大力发展的新型半导体器件。

图1横轴为材料引入时间，纵轴为材料的禁带宽度，4eV以上禁带宽度的材料称为超宽禁带。包括目前比较典型氧化镓、金刚石和氮化铝。这些新材料的引入对半导体体系有很大发展和补充。

表1列出了各类半导体材料的特性，从图可以看出，不同的半导体材料其性质相差甚远。例如，功率器件是目前半导体器件的一个方向，材料的功率特性包括电子的饱和漂移速度、击穿特性、热导率等，还有评价半导体材料用于开关器件潜力的巴利加优值，其值越大，器件功率越大，Si、GaAs、4H-SiC的巴利加优值分别为1、5、340，而金刚石的为24664。

下图是以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料与硅材料相比所具有的明显优势。因为这类材料具有宽的半导体带隙、高的电子饱和漂移速度、高的热导率、高的击穿强度，特别适合于制造工作于高频率、高速度、耐高温的半导体器件和短波长光电器件（如蓝光到紫外光LED和光电探测器件）。

三、禁带宽度的影响因素

半导体禁带宽度与温度和掺杂浓度等有关：半导体禁带宽度随温度能够发生变化，这是半导体器件及其电路的一个弱点（但在某些应用中这却是一个优点）。半导体的禁带宽度具有负的温度系数。例如，Si的禁带宽度外推到0K时是1.17eV，到室温时即下降到1.12eV。

当掺杂浓度增大时，杂志原子会改变晶体结构和电子云分布，导致禁带宽度变窄。