在固体物理学中,价带与导带是距离費米能階最近的能带,因此决定了固体的电导率。在非金属中,价带是处于绝对零度时电子通常存在的最高能量范围,而导带则是最低的空置电子态范围。在半导体材料的电子能带结构图中,价带位于费米能级下方,而导带位于其上方。
在金属中区分价带与导带毫无意义,因为导电现象发生在一条或多条部分填充的能带中,这些能带同时具备了价带与导带的性质。
带隙
在半导体与绝缘体中,这两条能带被能隙隔开,而在导体中这些能带则会发生重叠。带隙是固体中的一个能量区间,由于能量的量子化,该区间内不可能存在电子态。在能带概念中,价带与导带之间的能量间隙即为带隙。非金属的电导率取决于电子从价带被激发至导带的难易程度。
电导率
在固体中,电子充当载流子的能力取决于空置电子态的可用性。这使得电子在施加电场时能够增加其能量(即发生加速)。同理,在几乎全满的价带中,空穴(空置状态)也具备导电能力。
因此,固体的电导率取决于其使电子从价带流向导带的能力。所以在存在能带重叠区域的半金属中,其电导率较高。如果存在较小的带隙(Eg),只有在提供外部能量(如热能等)的情况下,电子才可能从价带流向导带;这些具有较小Eg的材料族群被称为半导体。如果Eg足够大,在常态下电子从价带流向导带的过程将变得微乎其微;这类材料族群被称为絕緣體。
然而半导体中仍存在一定由热激发引起的电导率。部分电子获得了足够的能量,能够一次性跃过带隙。一旦它们进入导带,就能传导电流,就如同它们在价带中留下的空穴一样。空穴是一种空置状态,它为价带中的电子提供了一定程度的自由度。
半导体纳米晶的带边移动
导带与价带的带边随尺寸改变而偏移,是半导体纳米晶领域的重点研究现象。半导体纳米晶产生量子限域效应的临界尺寸是其有效玻尔半径。当尺寸低于该临界值时,量子限域效应引发的离散光学跃迁会导致导带与价带的带边向高能级偏移。受此影响,导带与价带的宽度随之变窄。通过分析带边偏移的尺寸依赖性,可以提取有关半导体纳米颗粒尺寸、浓度或能带结构的物理信息。
参考
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