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エネルギーバンドとフェルミ準位

エネルギーバンドとフェルミ準位

太陽光発電の原理をエネルギーバンドモデルで示すために、エネルギーバンドの形成イメージとフェルミ準位について解説していきます。

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エネルギーバンド図

原子は、原子核と電子でできています。

電子は原子核を取り巻く複数の軌道郡上に分布し、最も外側の軌道郡に属する電子が価電子です。

原子が分子や結晶になるとき、外側の軌道郡は電子の波が干渉してエネルギーレベルの高い軌道郡と低い軌道郡に分裂して共有され、2種類の軌道郡の間には電子の存在できないエネルギーレベル帯ができます。

一方、電子はエネルギーレベルの低い軌道から埋まっていく性質があり、真性半導体や絶縁体では、エネルギーの低い軌道郡は価電子で満たされ、高い軌道郡は電子のない空っぽの状態になっています。

この状態を図にしたものがエネルギーバンド図です。

 

価電子で満たされた軌道郡が価電子帯

空の軌道郡が伝導体

その間の電子が存在できない部分が禁制帯です。

 

価電子帯は電子が詰まっているので自由に動くことができないが、伝導体はすいているので、エネルギーを与えられて伝導体に入った電子は自由に動く自由電子になります。

 

エネルギーバンドの形成イメージ

まず、シリコン原子において、価電子はもっとも外側の電子殻の軌道のうち、2本に軌道に2個ずつ属しています。
そのすぐ外側には、同じ電子核に属する2本の空の軌道が存在します。

次に、シリコン原子が2個くっついて分しかすると、そこに8本の軌道ができますが、そのとき電子の存在する軌道郡4本の間にエネルギーのギャップができます。

さらに、シリコン原子がくっつくと、電子の存在する軌道郡と空に軌道郡は、あるエネルギーの幅を持ち始めます。

巨大な分子や結晶構造をとるとき、電子の存在する軌道郡と空の軌道郡は、エネルギーの幅を持った帯として現されるようになります。
これがエネルギーバンドです。

 

フェルミ準位

半導体の禁制帯にはフェルミ準位が存在します。

フェルミ準位は、電子の存在確立50%になるエネルギーレベルのことです。

これは、そのエネルギーレベルの電子が存在しうる計算上の確率を示すものなので、実際にはそのレベル電子が存在し得ない禁制帯にあっても差し支えないです。

エネルギーバンド図において、価電子帯は電子で満たされています。
電子の存在確立は100%、伝導帯は電子が存在しないので、存在確立は0%です。

ここから、電子の存在確率50%をしめすフェルミ準位は、禁制帯の真ん中にあることがわかります。

 

 

フェルミ・ディラックの分布

シリコン結晶(真性半導体)は熱などのエネルギーを受けると励起によって伝導帯に自由電子,価電子帯にホールをつくります.このように熱励起によってつくられる電子分布は,Si原子に限らずすべての物質について次の関係式3-1-1によって示されます.

キャリア存在確率:P[-]
エネルギー準位:E[eV]
フェルミ準位:EF[eV]
温度:T[K]
ボルツマン定数:k[J/K]

この式中のPは電子の存在確率0~1(0は0%,1は100%)で示し、この式の引数であるE[eV] は物質中の電子の位置エネルギーを示すエネルギー準位です。
さらに式中のEF[eV] はフェルミ準位と呼ばれ、電子の存在確率が50%であるエネルギー準位を示します。

この関係をフェルミ・ディラックの分布といいます.

 

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まとめ

 

今回は、半導体の中で起こる内部光電効果についてみてきました。

人類が抱えているエネルギー問題、

現在の暮らしを見つめなおして、

未来の暮らしを考えてみましょう。

それでは、最後まで読んでくださって

どうもありがとうございました!^^

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してくださると幸いです◎




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