定義
能隙(Bandgap energy gap)或譯作能帶隙,在固態物理學中泛指半導體或是絕緣體的價帶(valence band)頂端至傳導帶(conduction band)底端的能量差距。能帶理論是研究固體中電子運動規律的一種近似理論。固體由原子組成,原子又包括原子實和最外層電子,它們均處於不斷的運動狀態。為使問題簡化,首先假定固體中的原子實固定不動,並按一定規律作周期性排列,然後進一步認為每個電子都是在固定的原子實周期勢場及其他電子的平均勢場中運動,這就把整個問題簡化成單電子問題。能帶理論就屬這種單電子近似理論,它首先由F.布洛赫和L.-N.布里淵在解決金屬的導電性問題時提出。
理論套用
對一個本徵半導體(intrinsic semiconductor)而言,其導電性與能隙的大小有關,只有獲得足夠能量的電子才能從價帶被激發,跨過能隙並躍遷至傳導帶。利用費米-狄拉克統計(Fermi-Dirac Statistics)可以得到電子占據某個能階(energy state)E0的機率。又假設E0 > > EF,EF是所謂的費米能階(Fermi level),電子占據E0的機率可以利用波茲曼近似簡化為:exp[-Eg/(kT)]
在上式中,Eg是能隙的寬度、k是波茲曼常數(Boltzmann's Constant),而T則是溫度。
半導體材料的能隙可以利用一些工程手法加以調整,特別是在化合物半導體中,例如控制砷化鎵鋁(AlGaAs)或砷化鎵銦(InGaAs)各種元素間的比例,或是利用如分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE)成長出多層的磊晶材料。這類半導體材料在高速半導體元件或是光電元件,如異質接面雙載子電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)、雷射二極體,或是太陽能電池上已經成為主流。