エネルギーの段で考える：バンドとバンドギャップ

金属、絶縁体、半導体の違いを、電子がとれるエネルギーの帯（バンド）と帯の間のすき間（バンドギャップ）で説明する。熱や光で電子がすき間を越える仕組み、n型とp型の見方、材料によるすき間の違いと使い分けを扱う。

電子が取れるエネルギーには、段がある

ここまでのページでは、電子と正孔、pn接合の働きを、粒の動きとして説明してきた。このページでは、同じことを、電子の持つエネルギーの段という見方で整理し直す。少し抽象的だが、材料の違いや、光を出す部品、パワー半導体の材料を理解する土台になる見方である。

原子の中の電子は、どんなエネルギーでも自由に持てるわけではない。とれるエネルギーは、とびとびの決まった値に限られている。階段の段の上にしか立てず、段と段の間には立てない様子に似ている。

固体の中では、非常に多くの原子が集まって並んでいる。すると、それぞれの原子の段が少しずつずれて重なり合い、細かい段がぎっしり集まった帯のようになる。この帯を「バンド（エネルギー帯）」と呼ぶ。電子は、帯の中のエネルギーはとれるが、帯と帯の間のエネルギーはとれない。

価電子帯と伝導帯

半導体や絶縁体を考えるときに大切なのは、二つの帯である。

一つは、原子どうしの結びつきに使われている電子が入っている帯である。これを「価電子帯」と呼ぶ。分野の最初のページで学んだ、シリコンの原子どうしが手をつなぐのに使っている電子が、ここにいる。

もう一つは、その上にある、結びつきから外れて自由に動ける電子が入る帯である。これを「伝導帯」と呼ぶ。

二つの帯の間には、電子がとれないエネルギーのすき間がある。このすき間を「バンドギャップ（禁制帯）」と呼ぶ。

なぜ電気を通したり、通さなかったりするのか

電気が流れるには、電子が少しエネルギーを受け取って動ける必要がある。

価電子帯が電子でぎっしり埋まっていると、電子は帯の中で動く余地がない。満員の電車の中で、人が身動きできないのに似ている。そこで、電子が動くには、すき間を越えて、空いている伝導帯に上がる必要がある。

* 絶縁体は、すき間が大きい。電子は、ふつうの温度ではすき間を越えられず、伝導帯にほとんど電子がない。そのため、電気をほとんど通さない。* 半導体は、すき間が中くらいである。熱や光のエネルギーを受け取ると、一部の電子がすき間を越えて伝導帯に上がる。そのため、条件によって電気を通すようになる。* 金属では、帯が電子で埋まりきっておらず、すき間を越えなくても電子が動ける。そのため、電気をよく通す。

分野の最初のページで、半導体は温度が上がると電気を通しやすくなると学んだ。温度が上がると、すき間を越える電子が増えるからである。

正孔は、価電子帯の空き

電子がすき間を越えて伝導帯に上がると、価電子帯には電子の抜けた空きが一つできる。これが、前に学んだ「正孔」である。

満員だった価電子帯に空きができると、隣の電子がその空きに移り、その電子がいた場所が新しい空きになる。こうして、空きが動いていくように見える。プラスの電気を持つ粒が動くように振る舞うのは、このためである。

つまり、熱や光で電子が一つすき間を越えると、伝導帯の電子と価電子帯の正孔が、一組できる。

n型とp型を、段で見る

ドーパントを混ぜたn型とp型も、この見方で説明できる。

n型では、ドーパントが持ち込んだ余分な電子が、伝導帯のすぐ下の、すき間の中のエネルギーにいる。伝導帯に近いので、少しの熱で伝導帯に上がり、自由に動ける電子になる。

p型では、ドーパントが、価電子帯のすぐ上に、電子を受け入れる空きを作る。価電子帯の電子は、少しの熱でその空きに移り、価電子帯に正孔が残る。

どちらも、すき間を丸ごと越えるよりずっと小さいエネルギーで、電気を運ぶ粒を作れる。わずかなドーパントで性質が大きく変わるのは、このためである。

すき間の大きさは、材料によって違う

バンドギャップの大きさは、材料によって違う。この違いが、材料の使い分けにつながっている。

光を出す部品では、伝導帯の電子が価電子帯の正孔と結びつくときに、すき間の分のエネルギーを光として出す。すき間の大きさによって出る光のエネルギーが変わり、光の色が決まる。そのため、出したい色に合わせて、すき間の大きさの違う化合物の半導体が選ばれる。シリコンは、光を出す効率が低いので、光を出す部品にはあまり使われない。

光を受ける部品では反対に、すき間より大きなエネルギーの光が当たると、電子がすき間を越えて、電子と正孔の組ができる。イメージセンサーや太陽電池は、この働きを使う。

分野「デバイス」のパワー半導体のページで、炭化ケイ素や窒化ガリウムは「電子を動ける状態にするのに必要なエネルギーが、シリコンより大きい材料」と説明した。これは、バンドギャップがシリコンより大きいということである。すき間が大きい材料は、強い電圧をかけても電子がすき間を越えて流れ出しにくく、高い温度でも性質が保たれやすい。

このページのまとめ

固体の中の電子がとれるエネルギーは、帯（バンド）に分かれている。結びつきの電子がいる価電子帯と、自由に動ける電子が入る伝導帯の間には、すき間（バンドギャップ）がある。すき間が大きいと絶縁体、中くらいだと半導体になり、熱や光で電子がすき間を越えると、電子と正孔が一組できる。n型とp型は、すき間の中にドーパントの段ができる見方で説明できる。すき間の大きさは材料によって違い、光の色や、パワー半導体の材料の選び方に関わる。