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固体材料の伝導
原子の外側の環にある電子の数が、導体と絶縁体の違いの理由です。 私たちが知っているように、固体材料は主に電子デバイスで電子伝導を達成するために使用されます。 これらの材料は、導体、半導体、絶縁体に分けることができます。
ただし、導体、半導体、および絶縁体は、エネルギー準位図によって区別されます。 ここでは、電子がその価電子帯を離れて伝導状態になるまでに必要なエネルギー量を説明します。 この図は、材料内のすべての原子の複合体です。 絶縁体、半導体、および導体のエネルギーレベル図を次の図に示します。
原子価バンド
下部は*価電子帯*です。 それは原子の核に最も近いエネルギー準位を表し、価電子帯のエネルギー準位は核の正電荷のバランスをとるために必要な正しい数の電子を保持します。 したがって、このバンドは「塗りつぶしバンド」と呼ばれます。
価電子帯では、電子は核に強く結合しています。 エネルギーレベルが上に移動すると、電子は原子核に向かって後続の各レベルでより軽くバインドされます。 電子の運動にはより大きなエネルギーが必要であり、各電子軌道には異なるエネルギーレベルがあるため、核に近いエネルギーレベルで電子を乱すことは容易ではありません。
伝導帯
図の一番上または最も外側のバンドは、*伝導バンド*と呼ばれます。 電子がこのバンド内にあり、結晶内を比較的自由に動き回るエネルギーレベルを持っている場合、電流を伝導します。
半導体エレクトロニクスでは、主に価電子帯と伝導帯に関心があります。 以下は、それに関するいくつかの基本的な情報です-
- 各原子の価電子帯は、外殻の価電子のエネルギーレベルを示しています。
- それらを伝導帯に入れるためには、価電子に一定量のエネルギーを追加する必要があります。
禁断のギャップ
価電子帯と伝導帯は、禁止されたギャップと呼ばれるギャップによって分離されます。 禁断のギャップを越えるには、一定量のエネルギーが必要です。 不十分な場合、電子は伝導のために放出されません。 電子は、禁止されたギャップを通過するために追加のエネルギーを受け取るまで、価電子帯に留まります。
特定の材料の伝導状態は、禁止ギャップの幅によって示されます。 原子理論では、ギャップの幅は電子ボルト（eV）で表されます。 電子ボルトは、電子に1 Vの電位差が加わったときに得られる、または失われるエネルギー量として定義されます。 各元素の原子には、伝導を可能にする異なるエネルギーレベル値があります。
絶縁体の*禁止領域*は比較的広いことに注意してください。 絶縁体を伝導させるには、非常に多くのエネルギーが必要です。 たとえば、Thyrite。
絶縁体が高温で動作する場合、熱エネルギーの増加により、価電子帯の電子が伝導帯に移動します。
エネルギーバンド図から明らかなように、半導体の禁制帯は絶縁体の禁制帯よりもはるかに小さくなっています。 たとえば、シリコンは伝導帯に入るために0.7 eVのエネルギーを得る必要があります。 室温では、熱エネルギーを追加するだけで半導体に伝導が生じる場合があります。 この特定の特性は、固体電子デバイスで非常に重要です。
導体の場合、伝導帯と価電子帯は互いに部分的に重なります。 ある意味では、禁じられたギャップはありません。 したがって、価電子帯の電子は放出されて自由電子になります。 通常、通常の室温では、導体内で電気伝導はほとんど発生しません。
