11.18: バンド理論

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ます。

これらのバンドのエネルギー差はバンドギャップと呼ばれています。

導体・半導体・絶縁体

電気を通すためには、価電子が異なるエネルギーの軌道を越えて固体中を移動する必要があります。これはバンドギャップによって決まります。導体の価電子は、多くの空の軌道を持つバンドを占有しています。そのため、電子をこれらの空の軌道に移動させるために必要なエネルギーはわずかです。このわずかなエネルギー差を克服するのは“簡単”なので、電気をよく通します。半導体や絶縁体には、空の軌道をほとんど持たない価電子帯と、空の軌道を持つ伝導帯という2種類のバンドが存在します。電子の動きやすさは、価電子帯と伝導帯のエネルギー差（バンドギャップ）によって決まります。絶縁体ではバンドギャップが非常に“大きい”ため、伝導帯の空の軌道に到達できる電子は非常に少なく、その結果、絶縁体は電気の伝導性が低いです。一方、半導体はバンドギャップが比較的小さいため、電気を通すことができます。そのため、適度なエネルギーを与えて電子を価電子帯の満たされた軌道から伝導帯の空の軌道に移動させれば、電気を流すことができます。このように、半導体は絶縁体よりは優れていますが、導電性という点では導電体ほど効率的ではありません。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Section 8.4 Molecular Orbital Theory.