価電子帯と伝導帯

固体物理学では、価電子帯と伝導帯はフェルミ準位に最も近い帯であり、固体の電気伝導性を決定します。非金属では、価電子帯は絶対零度で電子が通常存在する電子エネルギーの最高範囲であり、伝導帯は空の電子状態の最低範囲です。半導体材料の電子バンド構造のグラフでは、価電子帯はフェルミ準位の下にあり、伝導帯はフェルミ準位の上にあります。

金属では、価電子帯と伝導帯の両方の特性を持つ 1 つ以上の部分的に満たされた帯で伝導が発生するため、価電子帯と伝導帯の区別は意味がありません。

半導体と絶縁体では、2つのバンドはバンドギャップによって分離されていますが、導体ではバンドが重なり合っています。バンドギャップとは、エネルギーの量子化により電子状態が存在できない固体のエネルギー範囲です。バンドの概念では、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップがバンドギャップです。^[1]非金属の電気伝導性は、価電子帯から伝導帯への電子の励起のしやすさによって決まります。

半導体のバンド構造バンド構造の詳細な説明については、電気伝導と半導体を
参照してください。

固体では、電子が電荷キャリアとして機能する能力は、電子の空の状態の存在に依存します。これにより、電界が印加されると電子のエネルギーが増加（つまり加速）します。同様に、ほぼ満たされた価電子帯の正孔（空の状態）によっても導電性が実現します。

したがって、固体の電気伝導性は、価電子帯から伝導帯へ電子を流す能力に依存します。したがって、重なり合う領域を持つ半金属の場合、電気伝導性は高くなります。バンドギャップ (E _g ) が小さい場合、価電子帯から伝導帯への電子の流れは、外部エネルギー (熱など) が供給された場合にのみ可能になります。E _{gが小さいグループは}半導体と呼ばれます。E _gが十分に高い場合、価電子帯から伝導帯への電子の流れは通常の条件下では無視できるようになります。これらのグループは絶縁体と呼ばれます。

しかし、半導体にはある程度の導電性があります。これは熱励起によるもので、一部の電子はバンドギャップを一気に飛び越えるのに十分なエネルギーを得ます。伝導帯に入ると、電子は電気を伝導できます。価電子帯に残された正孔も同様です。正孔は空の状態であり、価電子帯の電子にある程度自由を与えます。

サイズに依存した伝導帯および/または価電子帯のエッジシフトは、半導体ナノ結晶の分野で研究されている現象です。半導体ナノ結晶の発生半径の限界は、ナノ結晶の有効ボーア半径です。半導体ナノ結晶が励起子によって制限されている場合、伝導帯および/または価電子帯のエッジは、この半径限界以下で離散的な光学遷移により、より高いエネルギーレベルにシフトします。このエッジシフトの結果、伝導帯および/または価電子帯のサイズは減少します。このサイズに依存した伝導帯および/または価電子帯のエッジシフトは、半導体ナノ粒子またはバンド構造のサイズや濃度に関する多くの有用な情報を提供します。^[2]

• 固体中の伝導に関する詳しい情報とバンド構造の別の説明については、「電気伝導」を参照してください。
• フェルミ海
• ホモ/ルモ
• 材料のバンド構造の完全な説明については、半導体を参照してください。
• バレートロニクス

• キッテル、チャールズ (2005)。固体物理学入門。Wiley。ISBN 0-471-41526-X。
• Kornic, Steve (1997年4月11日). 「The Valence Band」. Chembio. 2021年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年12月8日閲覧。
• Nave, Carl R. (Rod) (1999). 「固体のバンド理論」. Hyperphysics . 2021年12月8日閲覧。

• 直接バンドギャップエネルギー計算機