光伏发电工程之能带介绍

根据晶体理论，晶体内所有电子均具有能量，每个电子所具有的能量对应某一能级，从低到高依次排列。因为原子的内层电子受到原子核的束缚力较强，一般不参与导电，所以通常研究原子最外层价电子的能量状态。    

一、电子所处的能带

晶体中大量电子能级分布可组成密集的能级带（根据百度百科：能级带是不连续的，但因为能级带中的能级分布密集，可近似视为连续的），该密集的能级带可被称为晶体电子所处的能带。能带可被分类为价电带（以下简称“价带”）、禁带、传导带（以下简称“导带”）。  

图片来源：来自网络   其中，价带能级最低，禁带能级居中，导带能级最高。电子处于价带的物质呈现不导电的高电阻状态；电子处于导带的物质呈现导电状态，此时物质内具有自由电子；禁带能级区域处于价带和导带能级之间，禁带能级区的宽度被称为禁带宽度，禁带宽度的单位是电子伏特（eV）（根据百度百科：1eV≈1.6×10-19J）。   在温度为绝对零度（-273.15℃）时，绝大多数固态物质的价电子被冻结束缚（价电子处于价带），即物质处于不导电的高阻状态。  

在温度升高或光辐射作用的情况下，被冻结束缚的价电子吸收外界能量，可跃迁至较高的能级中。当吸收的能量可使被冻结束缚的电子的能级跨越禁带宽度时，物质从不导电的状态转化为导电状态，电子需吸收能量的最小值即为禁带宽度。   物质的禁带宽度数值举例如下：常温下（一般指25℃），锗的禁带宽度约为0.66eV，硅的禁带宽度约为1.12eV，砷化镓的禁带宽度约为1.46eV，氧化亚铜的禁带宽度约为2.2 eV，金刚石的禁带宽度约为5.47eV。    

二、能带与物质导电性的关系

一般，禁带宽度较宽的物质是绝缘体，禁带宽度为零的物质属于金属（导体）。   绝缘体、导体、半导体的价带、禁带、导带的关系图如图一所示：   （a）所代表物质的禁带宽度较大。常温下，其绝大多数价电子被束缚于价带中，不能参与导电，因此，（a）所代表的物质属于绝缘体（根据百度百科：一般，禁带宽度大于4.5eV属于绝缘体）。   （c）所代表物质的禁带宽度为零，价带和导带几乎相接。其价电子可更轻易进入导带转化为自由电子参与导电，因此，（c）所代表的物质属于导体，常温下，导体中的价电子几乎都进入导带中。   （b）所代表物质的禁带宽度介于绝缘体和导体的禁带宽度之间。（b）所代表物质的价电子更容易（相比于绝缘体）吸收超过禁带宽度的能量，而使价电子跃迁至导带成为自由电子参与导电，因此，（b）所代表的物质属于半导体。  

图一，图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》  

编辑：黄飞