バンドギャップとは、半導体における最低伝導帯と最高価電子帯のエネルギー差のことです。電子の伝導帯と価電子帯の間の距離はバンドギャップと呼ばれます。電子を伝導帯内で伝導に関与できる状態まで励起するために必要な最小エネルギーは、本質的にバンドギャップによって表されます。
価電子帯はエネルギー準位が低い方であるため、価電子帯とエネルギー準位が高い伝導帯との間に隙間がある場合、電子が自由電子となるためにはエネルギーを加える必要がある。このバンドギャップの大きさと存在によって、導体、半導体、絶縁体を区別することができる。
導体、絶縁体、半導体のバンドギャップはどのように違うのでしょうか?
バンドギャップの違いは、半導体、絶縁体、導体がそれぞれ異なる大きさのバンドギャップを持つことを示しています。これらの材料の固有の特性は、部分的にはこのバンドギャップの大きさに起因しています。絶縁体では、価電子帯の電子と伝導帯の電子を隔てる大きなバンドギャップが存在します。これは、価電子帯の電子が伝導帯に飛び移って伝導に関与することを妨げる大きな「禁制」エネルギーギャップが存在することを示しています。これが、絶縁体が効率的に電気を伝導しない理由です。
導体では、価電子帯と伝導帯が重なり合っています。この重なりによって、価電子は事実上自由に伝導帯に入り込み、伝導に関与することができます。重なりが部分的であるため、価電子の一部しか物質を通過できませんが、それでも導体が導電性を持つには十分です。
半導体のバンドギャップはどのように埋められるのでしょうか?
半導体のバンドギャップは、何らかの刺激によって埋めることができ、太陽電池の場合は太陽光などがその例である。バンドギャップの大きさは、基本的に絶縁体と導体の「中間」である。このモデルでは、限られた数の電子が伝導帯に入り込み、ごくわずかな量の電気を流すことができる。
この電子の活性化によって生じた正孔は、他の伝導プロセスも可能にする。近くの原子の電子がこの空孔を占有することで、正孔と電子の移動の連鎖反応が起こり、電流が発生する。この材料の導電率は、少量のドーピング材料を添加することで劇的に向上させることができる。
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物質の最外殻にある電子が親原子から分離するために必要な最小エネルギー量をバンドギャップまたはエネルギーバンドギャップと呼びます。そして、これらの電子は伝導に関与します。ごくわずかな電位を印加するだけでも常に自由電子が伝導に利用できるため、良導体はバンドギャップがゼロになります。
それらの価電子帯と伝導帯は実際には重なり合っています。親原子から電子を放出するには大量のエネルギーが必要なので、絶縁体のバンドギャップは非常に大きくなります。半導体には電子ボルト規模の中間バンド空間エネルギーがあります。電子の電位を 1 ボルト下げるには、XNUMX 電子ボルト (XNUMXev) が必要です。
