價帶
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價帶（英語：valence band），或稱價電帶，是絕對零度下的固體之中電子所在最高能量的區域，若給價電帶上的電子一個高於能隙的能量，該電子便會跳到傳導帶中。
構成
[編輯]價帶電子被束縛在原子周圍，而不像導體、半導體裡導帶的電子一樣能夠脫離原子晶格自由運動。在某種材料的電子能帶結構圖像中，價帶位於導帶的下方，在價帶和導帶的中間絕緣（絕緣體）或由能隙（或稱「禁帶」）間隔，而在金屬中，價帶和導帶之間沒有能隙。
為了理解價帶的概念，先考慮金屬的原子結構是必要的。例如，鋰原子的電子排布為1s22s1只能形成一個化學鍵。然而，當形成塊體金屬（bulk metal）時，鋰原子通過從相鄰鋰原子獲得一個電子達到共振，結果電子排布變為1s22s12p1 (e-)。共用這個電子的結果是，相鄰的鋰原子的失去一個電子，其電子排布變為1s2 (e+)，前者帶一個負電荷，它具有形成兩個共價鍵的能力，這樣就可以形成塊體金屬。在金屬內部，帶有正電荷的鋰原子保持在單獨、未成鍵的狀態，但是（從外部看）它能起抵消相鄰鋰原子負電荷的作用，這樣就能形成鋰的金屬基體（matrix）。
在鋰的三維金屬結構中，其軌道從低能階軌道（例如1s，然後2p）依次排列。[1]共價鍵的形成是一個很快的過程，看起來就像是在此時間段中，2s軌道被電子完全填滿，而2p軌道被部分填充，即2p軌道其他部分未填充電子。填滿的2s和部分填充的2p軌道有一重疊的部分，稱為交錯帶（overlapped zone）。
對於任何的金屬元素，通過其原子形成金屬，都必須經過這樣的過程。具有最高能量且被完全填滿的電子軌道就形成了價帶（例如鋰原子中的2s電子軌道），由於價帶被電子充滿，因而也稱「滿帶」[2]；而沒有電子的軌道則被稱為導帶（例如鋰原子的2p電子軌道），也稱「空帶」[2]。
導體、半導體和絕緣體
[編輯]價帶與導帶重疊區域的大小與原子間距離rd，並且同軌道能階有關。如果rd較大，或軌道能階較大，則重疊區域小，甚至沒有重疊、形成能隙Eg。金屬的導電性取決於其價帶和導帶之間自由流動的電子。這樣，大重疊區域的金屬就具有很好的導電性，進而具有較好的金屬性。如果價帶和導帶之間的能隙較小，則電子只有在受外部能量（以熱量等形式）激發的情況下才有可能從價帶流動到導帶。這些具有較小Eg的材料被稱作是半導體。如果Eg足夠大，則在通常狀態下，電子從價帶到導帶的流動就小得可以忽略，這些材料被稱作是絕緣體。[3]
半導體和絕緣體不良的導電性是由其價帶的性質造成的。如果價帶填滿，電子總數目與從最低能態到價帶頂的能態數相等，在能隙中沒有可以占據的能態。這意味著，如果外加電場，電子能量無法增加，因為不存在比現有能態更高的能態可以占據。
然而，一些半導體具有微小的導電性，然而，這是由於其中的少數電子受到熱激發（thermal excitation）的原因，一些電子獲得了足夠的能量，以至於能夠越過能隙。我們把這種「熱激發」，叫做「本徵激發」。一旦它們來到導帶中，它們就能夠傳導電流，同時價帶中的電洞也能 夠傳導電流。電洞是指價帶中沒有電子占據的狀態，因此可以將具有大量電子的價帶中相對少數的沒有電子的狀態看作是具有正電荷的「電洞」。[4]
參考文獻
[編輯]- ^ 褚聖麟. 《原子物理学》. 高等教育出版社. ISBN 978-7-04-001312-2.
- ^ 2.0 2.1 劉恩科 等. 半导体物理（第四版）. 國防工業出版社. 2010: 16. ISBN 978-7-118-06562-6.
- ^ R. M. Warner, B. L. Grung. 半导体器件电子学. 北京: 電子工業出版社. 2005. ISBN 7-121-00882-3.
- ^ 劉恩科 等. 半导体物理（第四版）. 國防工業出版社. 2010: 20. ISBN 978-7-118-06562-6.
- Chembio. [2012-02-24]. （原始內容存檔於2020-08-02）.
- Hyperphysics. [2012-02-24]. （原始內容存檔於2019-01-21）.
- Kittel, Charles. Introduction to Solid State Physics. Wiley. 2005. ISBN 0-471-41526-X.