結晶中のエネルギーバンド

ニール・ボーアの原子構造理論によれば、すべての原子は中心核の周囲に離散的なエネルギー準位を持っている（詳細は「原子のエネルギー準位」の記事を参照）。次に、複数のこのような原子が互いに近接している場合を考えると、その離散的なエネルギー準位の構造はエネルギー帯構造に変化する。つまり、離散的なエネルギー準位のかわりに、離散的なエネルギーバンドが見られるようになる。このような結晶内のエネルギーバンドの形成の原因は、原子間の相互作用であり、これはそれらの間に働く電磁力によるものである。
図1は、そのようなエネルギーバンドの典型的な配置を示している。ここで、エネルギーバンド1は孤立した原子のエネルギー準位E1と類似し、エネルギーバンド2はエネルギー準位E2と類似し、以下同様である。

これは、相互作用する原子の核に近い電子がエネルギーバンド1を構成し、それに対応する外側軌道の電子がより高いエネルギーバンドを形成することを意味している。

実際には、これらの各バンドは非常に密接に配置された多数のエネルギー準位を含んでいる。

図から明らかなように、特定のエネルギーバンドに現れるエネルギー準位の数は、考慮されるエネルギーバンドの増加とともに増加する。つまり、第三エネルギーバンドは第二エネルギーバンドよりも広く、第二エネルギーバンドは第一エネルギーバンドよりも広い。次に、これらの各バンド間の空間は禁制帯またはバンドギャップ（図1）と呼ばれる。さらに、結晶内にあるすべての電子はいずれかのエネルギーバンドに存在しなければならない。これは、電子がエネルギーバンドギャップ領域に存在しないことを意味する。

エネルギーバンドの種類

結晶のエネルギーバンドは様々な種類がある。いくつかは完全に空であるため、これらは空のエネルギーバンドと呼ばれ、いくつかは完全に満たされており、これらは満たされたエネルギーバンドと呼ばれる。通常、満たされたエネルギーバンドは原子核に近い低エネルギー準位であり、自由電子を持たないため、導電性を持つことができない。また、空のエネルギーバンドと満たされたエネルギーバンドの組み合わせである混合エネルギーバンドも存在する。
しかし、電子工学の分野では特に導電機構に関心があるため、ここでは2つのエネルギーバンドが極めて重要となる。

価電子帯

このエネルギーバンドは価電子（原子の最外殻の電子）を含んでおり、完全にまたは部分的に満たされていることができる。室温では、これは電子を含む最高のエネルギーバンドである。

伝導帯

通常、室温で電子が占有していない最も低いエネルギーバンドを伝導帯と呼ぶ。このエネルギーバンドは原子核の引力から自由な電子を含んでいる。
一般的に、価電子帯は伝導帯よりもエネルギーが低く、エネルギーバンド図（図2）では伝導帯の下に位置する。価電子帯の電子は原子核に対して弱く結合しており、材料が励起されると（例えば熱的に）伝導帯に飛び移る。

エネルギーバンドの重要性

材料を通じての導電は、その中に存在する自由電子によって引き起こされることがよく知られている。この事実はエネルギーバンド理論の観点から再定式化すると、「伝導帯に存在する電子のみが導電機構に寄与する」となる。そのため、エネルギーバンド図を見て材料を異なるカテゴリーに分類することができる。
例えば、エネルギーバンド図が価電子帯と伝導帯の間に大きな重なりを示す場合（図3a）、これは材料が豊富な自由電子を持っていることを意味し、よってそれは優れた導体つまり金属であると考えることができる。

一方、価電子帯と伝導帯の間に大きなギャップがあるエネルギーバンド図（図3b）の場合、これは材料に大量のエネルギーを与える必要があることを意味する。時にはこれは困難であったり、実際には不可能な場合もある。これにより伝導帯は電子が存在せず、材料は導電できない。したがって、このような材料は絶縁体となる。
次に、価電子帯と伝導帯の間にわずかな分離がある材料（図3c）を考えると、わずかなエネルギーを提供することで価電子帯の電子を伝導帯に移動させることができる。これは、このような材料は通常は絶縁体であるが、外部からの励起によって導体として機能できるということを意味する。したがって、これらの材料は半導体と呼ばれる。

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