材料的電性質

價帶

價帶(valence band)是低溫下正常被電子填滿的最高能量範圍,是能量書架上最上層被占滿的層板。它由價電子(valence electron)構成,也就是每個原子最外層、負責鍵結的電子。在半導體或絕緣體中,於絕對零度時價帶被完全填滿:每個允許的座位都有人坐。

一個完全填滿的能帶,違反直覺地,無法傳輸任何淨電流。原因是一幅很好的圖像:要有電流,電子必須能在某個方向加速得比反方向多,而這需要空的能態可移入。填滿的能帶裡沒有空位,所以每有一個電子往這邊漂,就有另一個往反方向漂,兩者恰好抵消。這就是為什麼填滿的價帶本身在電性上是「死」的,像一個停得密不透風的停車場,沒有車能動。

有兩件事能讓價帶活過來。第一,一個電子可被抬出價帶、越過能隙進入空的導帶,在價帶留下一個空能態,也就是電洞(hole)。這個電洞的行為像可移動的正電荷,讓剩下的價電子挪動、載送電流。第二,在 P 型摻雜時,我們刻意移走一些價電子,故意製造電洞。所以價帶不只是一個填滿的水庫;它是電洞居住的地方,而電洞正是讓半導體運作的一半關鍵。

在室溫的純矽中,熱能把少數電子從價帶踢進導帶。假設每立方公尺有 10^16 個完成這一跳:價帶就留下 10^16 個電洞。被抬上去的電子與它們留下的電洞現在都載送電流,這正是為什麼連「純」矽也會導一點電。

填滿的價帶不載電流;只有當電洞出現在其中時它才活過來。

電洞不是真正的粒子,它是幾乎填滿的價帶中一個電子的缺席。但它會移動、會像真正的正電粒子一樣載電荷,而追蹤那一個空位,遠比追蹤在它周圍挪動的億萬個電子簡單得多。

又稱
VB價電子帶