能带的定义和分类

固体、液体和气体都有不同的分子排列。它们紧密地聚集在固体中，使得分子原子内的电子迁移到相邻原子的轨道中。气体中的分子排列不紧密，但在液体中是中等的。结果，当原子彼此接近时，电子轨道部分覆盖。能带的水平是由材料内部的原子合并产生的，而不是单一的能级。能量带是紧密组合在一起的能量水平的集合。

什么是能量带？

The energy band definition states that the number of atoms in a crystal stone can be closer together, and a number of electrons can interact with one another. Changes in electron energy levels within their shell can induce changes in their energy levels. The key characteristic of the energy band is that the energy levels of electrons in electronics are stable throughout a wide range of frequencies. As a result, the energy level of an atom will vary in the conduction and valence bands.

能带的形成

孤立原子的每个轨道上的电子都具有一定的能量。然而，在固体中，最外层轨道电子的能级受到附近原子的影响。当两个孤立的电荷靠近在一起时，最外层轨道中的电子会感受到来自最近或相邻原子核的吸引力。

正因为如此，电子能量将不在同一水平，电子能级将被修改为大于或低于电子初始能级的值。另一方面，内轨道电子的能量不受附近原子存在的影响。

同一轨道上的电子能级不同。术语“能带”是指这些不同能级的分组。

能带理论

根据玻尔的假设，每个原子的外壳在不同的水平上都有不同的能量。该理论的主要焦点是内部和外壳之间的电子通信。根据能带理论，能带分为三类，包括以下几类。

• 导带
• 价带
• 禁区

导带

在常温下，价电子与原子核松散连接。一些价电子将能够自由地离开能带。因为它们流向相邻的原子，所以它们被称为自由电子。这些自由电子，也称为传导电子，将在导体内传导电流。包含电子的能带称为导带，其占据的能量较低。

价带

尽管电子在原子内以固定的能级行进，但内层电子的能量大于外层电子的能量。价电子是在外壳内发现的电子。这些电子由构成价带的一系列能级组成。该频带具有最高水平的占用能量。

禁区

禁带间隙定义为导带和价带之间的空间。这是一个不允许存在的乐队，因为它缺乏能量。结果，没有电子在该带中流动。这个间隙将允许电子从价态移动到导电态。

如果该间隙较大，则价带中的电子与原子核紧密相连。此刻，需要一点外力将电子推出这个带，这与禁带能隙相当。上图描绘了这两个波段以及一个禁止的间隙。半导体、导体和绝缘体是根据间隙大小创建的。

能带的类型

能带分为三类：

• 绝缘子
• 导体
• 半导体

绝缘子

绝缘体是不导电且不允许其通过的物质或材料。绝缘体中被禁止的能隙足够宽以防止电流通过。绝缘体包括橡胶和木材等材料。绝缘体中的能带结构如下图所示。

绝缘子具有以下特点：

• 在价带中，电子与原子紧密结合或牢固连接。
• 在值为 10 eV 的绝缘体中，禁止的能隙足够大。
• 当温度升高时，某些绝缘体可能会发生导电。

导体

导体是一种材料，其中禁止的能隙，如价带消失，导带变得非常接近它们部分重叠的点。金、铝、铜和金是导体的最好例子。在常温下，可用的自由电子数量是巨大的。导体的能带图如下所示。

被禁止的能隙是导体最重要的特性之一。价带和传导带会纠缠在一起。有大量的自由电子可用于传导。一旦有限数量的电压上升，传导就会增加。

导体具有以下特点：

• 在导体中，没有禁止的能隙之类的东西。
• 在导体中，价带和导带重叠。
• 有大量的自由电子可用于电力传输。
• 当电压稍微增加时，导通也会增加。
• 因为电子的恒定流动增加了产生的电流，所以没有空穴产生的想法。

半导体

半导体是在导体和绝缘体之间具有导电性的材料或物质。半导体中被禁止的能隙很小，只有在外加能量的情况下才能导电。半导体包括锗和硅，仅举几例。半导体中的能带结构如下图所示。

半导体具有以下特点：

• 在半导体中，禁止的能隙是最小的。
• 锗 (Ge) 的禁止能隙为 0.7eV，而硅 (Si) 为 1.1eV。
• 半导体的电导率随温度升高而升高。
• 半导体既没有很强的导电性，也没有很好的绝缘性能。

示例问题

问题一：导体和绝缘体有什么区别？举出具体事例。

回答：

Conductors: Materials with a lot of empty space are called conductors, and they allow for easy electricity conduction. Metals, for example, are silver, gold, and copper.

Insulators: Materials with a lot of immobile charge are poor current conductors. Plastic, rubber, and other similar materials are examples.

问题 2：根据能带图，写出导体、半导体和绝缘体之间的任意两个区分特征。

回答：

The difference between conductors, semiconductors and insulators are as follows:

Conductors	Semiconductors	Insulators
The valence band, also known as the conduction band, is only partly filled.	At zero degrees Celsius, electrons in the valence band do not have enough energy to move to the conduction band.	The conduction band is vacant while the valence band is entirely filled with electrons.
The valence and conduction bands cross one other. The energy gap is less than 0 eV.	Gap between conductors and insulators is prohibited. The energy gap is less than 3 eV.	The energy gap between the valence and conduction bands is around 6 eV.
The greatest conductivity is found here.	Conductivity is the property that exists between conductors and insulators.	The conductivity is quite low.

问题3：价电子从价带移动到导带所需的能量是多少？

回答：

To move from the valence band to the conduction band, the valence electrons must have the same energy as the energy gap.

问题4：波段模型的定义是什么？

回答：

The presence of energy bands is postulated in band theory to describe the behaviour of electrons in materials. It satisfactorily explains several physical characteristics of solids by using the band structure of the material.

问题 5：三个 Ge 原子相互靠近，直到它们达到与晶体中原子之间的距离相等的距离。价带有多少个允许的能态？传导带呢？哪里可以找到价电子？

回答：

A Ge atom’s 4 valence electrons are present in the states 4s², 4p². When the 3 Ge atoms are brought together until they reach the distance from the Ge crystal, the 4s and 4p levels divide into two energy bands, each with 6 levels. As a result, the valence band will contain 6 energy levels, each of which may hold 2 electrons with opposing spin.

Similarly, the conduction band will contain 6 energy levels. Due to the fact that 3 Ge atoms contain a total of 12 valence electrons, all of the valence band’s potential states will be occupied.