伝導帯とは？

量子力学で使用される伝導バンドという用語は、分子内の電子の結合された軌道の領域、またはバンドを指します。 価電子帯とは異なり、伝導帯にはほとんど電子が含まれていません。 励起状態では、電子は瞬間的に伝導帯に移動してからエネルギーを放出し、より低い電子軌道に戻ります。 このバンドに関する電子の振る舞いを理解することは、さまざまな物質の振る舞いを理解するのに役立ちます。 量子力学では、伝導帯の概念はバンド理論で扱われます。

原子は陽子（正に帯電した粒子）と中性子（中性粒子）が中心に集まって配置されています。 電子-小さな負に帯電した分子-は、太陽系内の惑星が太陽を周回する方法と同様に、中心クラスターを周回します。 惑星と同様に、電子は軌道を設定しています。 ただし、惑星とは異なり、十分なエネルギーを得ると、電子は別の軌道に移動できます。

一般的に、電子は原子の低軌道にあります。 電子は常に最初に最低軌道を満たし、最初の軌道が満たされたときにのみ次の軌道に移動します。 この自然な配置は、原子の基底状態と呼ばれます。

1つの原子の価電子、または通常基底状態軌道の最も外側のバンドに見られるものは、他の原子と共有できます。 共有結合では、複数の原子の価電子が軌道を共有します。 価電子の元の軌道は一緒にぼやけて、分子内に価電子帯を作ります。

電子がエネルギーを獲得するか、または励起状態に達すると、電子は伝導帯にあるより高い軌道に移動できます。 電子は、伝導帯に到達するために、非電子領域またはバンドギャップを飛び越えるのに十分なエネルギーを持っている必要があります。 電子は最終的に伝導状態になると基底状態になることを好むため、軽い光子の形でエネルギーを放出し、価電子帯軌道に戻ります。 電子が伝導帯にある合計時間は1秒未満です。

電子が伝導帯に到達する能力により、物体の導電率が決まります。 物質によってバンドギャップのサイズが異なるため、軌道間で電子を移動させるために必要なエネルギーが少ない物質もあります。 たとえば、導体のバンドギャップは小さいため、電子はこの最小ギャップをジャンプして伝導バンドに到達するために多くのエネルギーを必要としません。 これが、導体が電気を通すのに理想的な理由です。 逆に、絶縁体のバンドギャップは非常に大きいため、電子がジャンプするために必要なエネルギーが大幅に増えるため、電気をうまく伝導できません。