11.18
バンド理論は分子軌道理論に似ており、固体中の電子的振る舞いのモデルを提供します。
2つ以上の原子が集まって分子になると、それらの原子軌道が重なり合って離散的なエネルギーレベルの分子軌道が形成されることを思い出してください。分子内の原子の数が増えると、分子軌道の数も増えます。
固体は通常、非常に多くの原子を持っているため、固体全体は、非常に多数の近接した間隔の分子軌道で表されます。その結果、分子軌道のグループは、電子が占めることができるエネルギーの連続的な範囲またはバンドと考えることができるように、非常に狭い間隔で配置されます。
分子軌道と同様に、これらのバンドはエネルギーギャップによって分離されています。ギャップが大きすぎると、電子はギャップを越えることができません。
銅のような導体では、価電子は多くの空の軌道を持つバンドにあります。価電子は軌道間を容易に移動できるため、電子は固体中を自由に流れることができます。これらの可動電子は、固体の良好な電気伝導率に関与しています。
半導体と絶縁体のモデルでは、基底状態に電子を含む最高エネルギーのバンドである価電子バンドと、価電子バンドのすぐ上のバンドである伝導バンドの2つのバンドを考慮します。
価電子帯には空の軌道がほとんどまたはまったくないため、価電子が伝導帯の空の軌道に到達できない場合、価電子が固体内を移動する能力が制限されます。
これは、ガラスのような絶縁体に見られる振る舞いであり、ガラスは価電子バンドと伝導バンドの間に大きなエネルギーギャップまたはバンドギャップを持っています。したがって、絶縁体は電気伝導率が低くなります。
バンドギャップが小さければ、価電子は伝導帯に励起され、そこにある空の軌道間を自由に移動することができます。励起された電子が残す空の軌道は、電子が価電子帯内を移動するのを容易にします。
これは、シリコンのような半導体に見られる振る舞いであり、シリコンは金属よりも導電性が低く、絶縁体よりも導電性が高くなります。
2つ以上の原子が集まって分子を形成すると、原子軌道が結合して異なるエネルギーを持つ分子軌道が形成されます。固体中には多数の原子が存在し、それに伴って分子軌道に結合する原子軌道の数も多くなります。これらの分子軌道の集合は非常に近いエネルギー配置にあり、バンドと呼ばれる連続したエネルギー領域を形成してい…
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