固体のバンド理論を理解する：電子エネルギー準位が電気伝導性をどう形作るか
量子力学では、原子内の電子を4つの量子数で記述し、許容エネルギー状態を指定します。これはスタジアムの座席のように、各電子が固有の量子数の組み合わせ（特定の列と席）を占有することに似ています。
エネルギーが供給または放出されると、電子はこれらの状態間を移動できます。これは観客が列を移動するのと似ています。異なる殻間の遷移には大きなエネルギーが必要ですが、同一殻内や副殻間の移動にはより少ないエネルギーで済みます。
原子が結合して固体を形成すると、最外殻、副殻、軌道が融合し、密なエネルギー準位の配列が生まれ、これがほぼ連続的なバンドに融合します。これは下図に示されています。
金属では伝導帯が価電子帯と重なり、電子が最小限の外部エネルギーで自由に流れられます。これらの「自由」電子が担体となり、金属に優れた伝導性を与えます。
対照的に、絶縁体では最高の満たされたバンド（価電子帯）と次の空バンド（伝導帯）の間に大きなバンドギャップが存在します。このギャップを越える十分なエネルギーがないと、価電子は束縛されたままで電気伝導が起こりません。下図を参照してください。
半導体はこの両極端の中間に位置し、狭いバンドギャップを持ちます。低温ではギャップを越える熱エネルギーを持つ電子は少なく、材料は絶縁体のように振る舞います。温度が上昇するとより多くの電子が伝導帯に達し、伝導率が劇的に増加します。下図は半導体と金属のバンド構造を比較しています。
構成原子の電子配置だけから材料の伝導性を予測することは、必ずしも可能ではありません。例えば、最高の導体である銀、銅、金はそれぞれ単一の価電子s電子を持ちますが、伝導性は単なる電子数ではなく、バンドがどう重なるかに依存します。
重要なポイント
- 価電子帯から伝導帯へ電子を励起するにはエネルギーが必要で、ギャップが大きいほどより高いエネルギーを要します。
- 金属ではバンドの重なりにより電子が最小エネルギーで移動でき、優れた導体となります。
- 絶縁体は幅広いバンドギャップで電子の移動を阻み、伝導性はほぼゼロです。
- 半導体は小さな非重なりギャップを持ち、温度やドーピングで制御可能な伝導性を示します。
さらなる学習
産業技術