固体のバンド理論

量子物理学は、量子数の4つのスキームに従って原子内の電子の状態を記述します。 。量子数は許容状態を表します 電子は原子の中で仮定するかもしれません。円形劇場の例えを使用するために、量子数は利用可能な列と座席の数を表します。個々の電子は、特定の列と座席に割り当てられた円形劇場の観客のように、量子数の組み合わせで表すことができます。

座席と列の間を移動する円形劇場の観客のように、電子は、彼らが収まるための利用可能なスペースと利用可能なエネルギーの存在を考えると、彼らの状態を変えるかもしれません。シェルレベルは電子が持つエネルギー量と密接に関連しているため、シェル（さらにはサブシェル）レベル間での「跳躍」にはエネルギーの移動が必要です。電子が高次の殻に移動する場合は、外部ソースから電子に追加のエネルギーを与える必要があります。円形劇場の例えを使用すると、人は重力に逆らってより高い高さまで登らなければならないため、人がより高い列の座席に移動するにはエネルギーが増加します。逆に、下のシェルに「跳ねる」電子は、人が下の列の座席に飛び降りるようなエネルギーの一部を放棄し、消費されたエネルギーは熱と音として現れます。

すべての「飛躍」が等しいわけではありません。異なるシェル間の跳躍にはかなりのエネルギー交換が必要ですが、サブシェル間または軌道間の跳躍には、より少ない交換が必要です。

原子が結合して物質を形成すると、最も外側のシェル、サブシェル、および軌道が融合し、電子が想定できる利用可能なエネルギーレベルの数が増えます。多数の原子が互いに近接している場合、これらの利用可能なエネルギーレベルはほぼ連続したバンドを形成します。 ここで、電子は下の図に示すように移動する可能性があります

金属元素の電子バンドの重なり。

これらのバンドの幅と既存の電子への近接性が、電界にさらされたときにこれらの電子がどの程度移動するかを決定します。金属物質では、空のバンドが電子を含むバンドと重なります。つまり、単一の原子の電子は、追加のエネルギーがほとんどまたはまったく与えられずに、通常はより高いレベルの状態に移動する可能性があります。したがって、外側の電子は「自由」であり、電場の招きで動く準備ができていると言われます。

原子がいくつ接近していても、すべての物質で重なり積分が発生するわけではありません。一部の物質では、電子を含む最も高いバンド（いわゆる価電子帯）の間にかなりのギャップが残っています。 ）と空の次のバンド（いわゆる伝導帯 ）。下の図を参照してください。その結果、価電子はそれらの構成原子に「結合」し、かなりの量のエネルギーが与えられない限り、物質内で移動することはできません。これらの物質は電気絶縁体です。

絶縁物質の電子バンド分離。

半導体のカテゴリに該当する材料 価電子帯と伝導帯の間に狭いギャップがあります。したがって、価電子を伝導帯に動機付けて移動させるのに必要なエネルギー量は非常に控えめです。 （下の図）

半導体物質の電子バンド分離、（a）多数の半導体近接原子は、依然として大きなバンドギャップをもたらします。（b）参照用の多数の近接金属原子。

低温では、このギャップを越えて価電子を押し出すために利用できる熱エネルギーはほとんどなく、半導体材料はより絶縁体として機能します。しかし、より高い温度では、周囲の熱エネルギーがギャップを横切って電子を強制するのに十分になり、材料は電気の伝導を増加させます。物質の構成原子の電子配置を調べて、物質の導電性を予測することは困難です。電気の最高の金属導体（銀、銅、金）はすべて外側にありますが、 単一電子のサブシェルでは、導電率と価電子数の関係は必ずしも一貫していません：

異なる元素の化合物によって生成される電子バンド構成は、その構成要素の電子配置との容易な関連付けに逆らいます。

レビュー：

• 電子を価電子帯からより高い非占有帯である伝導帯に移動させるには、エネルギーが必要です。サブシェル間ではなく、シェル間を移動するためにより多くのエネルギーが必要です。
• 金属では価電子帯と伝導帯が重なり合うため、電子を取り除くエネルギーはほとんどありません。金属は優れた導体です。
• 絶縁体の価電子帯と伝導帯の間の大きなギャップは、電子を除去するために高いエネルギーを必要とします。したがって、絶縁体は導通しません。
• 半導体には、価電子帯と伝導帯の間に重なり合わない小さなギャップがあります。純粋な半導体は、優れた絶縁体でも導体でもありません。半導体は半導電性です。

関連ワークシート：

• 半導体ワークシートの電気伝導