価電子帯

図1. 絶縁体、金属、半導体の価電子帯と伝導帯を示した図。 フェルミ準位とは、絶対零度において最もエネルギーの高い占有電子軌道に与えられる名称である。

価電子帯とは、電子が励起されたときに伝導帯に移動して飛び出すことのできる電子軌道の帯のことです。 価電子帯とは、簡単に言えば、任意の特定の物質の原子の、実際に電子が占める一番外側の電子軌道のことです。

価電子帯の最高被占有状態と伝導帯の最低非占有状態のエネルギー差はバンドギャップと呼ばれ、物質の電気伝導度を示しています。 バンドギャップが大きいということは、価電子を伝導帯に励起するために多くのエネルギーが必要であることを意味する。

導体、絶縁体、半導体の違いは、バンドギャップの大きさで表すことができます。 絶縁体はバンドギャップが大きいので、電子を価電子帯から移動させて電流を作るのに、法外に大きなエネルギーが必要になるのが特徴です。 導体は、伝導帯と価電子帯が重なっているため、価電子は基本的に自由である。 一方、半導体はバンドギャップが小さく、一定のエネルギーが与えられると、材料の価電子のうち意味のある割合が伝導帯に移動することができる。 この性質により、導体と絶縁体の中間の伝導性を持ち、導体のように短絡を起こさないため、回路に適している理由の一つでもある。 また、このバンドギャップを利用して、半導体は光を電気に変換する太陽電池や、ある種のダイオードにするとLEDとして発光させることができる。 これらのプロセスはいずれも、伝導帯と価電子帯の間を移動する電子が吸収または放出するエネルギーに依存している。