理解固体能带理论：电子能级如何决定电导率
量子力学利用四个量子数描述原子中的电子，规定了允许的能量状态——这好比体育场中的座位。每个电子占据一组唯一的量子数，正如观众被分配到特定的排和座位。
当提供或释放能量时，电子可在这些状态间跃迁，如同观众换排。不同壳层间的跃迁需较大能量，而同一壳层内或亚壳层间的移动所需能量较小。
当原子结合形成固体时，其外层壳层、亚壳层和轨道融合，形成密集的能级阵列，汇聚成近乎连续的能带。下图对此进行了说明。
在金属中，导带与价带重叠，电子仅需极少外部能量即可自由流动。这些“自由”电子是赋予金属优异导电性的载流子。
相比之下，绝缘体在最高填满带（价带）与下一个空带（导带）之间存在显著的禁带宽度。若无足够能量跨越此能隙，价电子仍被束缚，无法导电。见下图。
半导体介于两者之间，具有窄禁带。低温下，极少电子拥有足够热能跨越能隙，材料表现为绝缘体。随温度升高，更多电子到达导带，导电率大幅增加。下图对比了半导体与金属的能带结构。
并不总能从构成原子的电子构型预测材料导电性。例如，最佳导体——银、铜、金——各有一个价s电子，但导电性取决于能带重叠情况，而非仅由电子数目决定。
核心要点
- 将电子从价带激发至导带需要能量；禁带越宽，所需能量越高。
- 金属中能带重叠使电子以极少能量移动，成为优良导体。
- 绝缘体具有宽禁带，阻碍电子迁移，导电率可忽略。
- 半导体拥有窄而不重叠的禁带，实现随温度或掺杂可控的导电性。
延伸学习
工业技术