半导体能带什么叫能带？金属为啥能导电？导体半导体绝缘体导电性为何不同？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

什么叫能带？金属为啥能导电？导体半导体绝缘体导电性为何不同？

所有固体物质都是由原子组成的，而原子则由原子核和电子组成。原子核外的电子在以原子核为中心的圆形轨道上运动，距离原子核越远的轨道其能级（电位能的级别）越高，电子也就越容易脱离原子的束缚，变成可以运动的自由电子。

当原子处于孤立状态时，其电子能级可以用一根线来表示；当若干原子相互靠近时，能级组成一束线；当大量原子共存于内部结构规律的晶体中时，密集的能级就变成了带状，即能带。

能带中的电子按能量从低到高的顺序依次占据能级。下面是绝缘体、半导体和金属导体的能带结构示意图。

能带示意图

绝缘体：由上图知道最下面的是价带，是在存在电子的能带中，能量最高的带；最上面是导带，一般是空着的；价带与导带之间不存在能级的能量范围就叫做禁带，禁带的宽度叫做带隙（能隙）。绝缘体的带隙很宽，电子很难跃迁到导带形成电流，因此绝缘体不导电。

导体：金属导体只是价带的下部能级被电子填满，上部可能未满，或者跟导带有一定的重叠区域，电子可以自由运动 ，即使没有重叠，其带隙也是非常窄的 ，因此很容易导电。

半导体：半导体的带隙宽度介于绝缘体和导体之间，其价带是填满的，导带是空的 ，如果受热或受到光线、电子射线的照射获得能量，就很容易跃迁到导带中，这就是半导体导电并且其导电性能可被改变的原理。由于半导体的带隙窄，电子容易发生跃迁，因而导电性能容易发生大的变化；电子状态的变化还可能带来其他效应，比如从高能级到低能级跃迁过程中多余的能量以光子的形式释放，则产生“发光”现象（激光，发光二极管）。独特的能带结构，正是半导体具有百变魔力之源。

精品干货：理论计算在光催化方面的应用 - 能带篇

光催化材料一般是半导体材料，半导体材料主要是利用受光激发产生的电子和空穴进行光催化过程。光催化反应的过程如图1 所示：（1）催化剂吸收光子（光子的能量需要大于带隙值 Eg，电子才能从价带顶跃迁到导带底）。（2）跃迁到导带上电子称为光生电子，留在价带内空穴称为光生空穴，光生电子-空穴对在催化剂内迁移。（3）部分光生电子-空穴在催化剂内部复合，部分光生-空穴对迁移到催化剂表面。（4）迁移到催化剂表面的电子和空穴分别与表面的吸附物质发生还原和氧化反应。

▲图1 光催化示意图采用密度泛函理论（DFT）计算光催化过程时，由于对电子之间的相互作用考虑不充分，使得计算得到半导体带隙值偏低，局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）方法对于一些材料，如过渡金属氧化物、稀土元素及其化合物等电子高度局域的体系并不适用，为此研究者对此进行了修正，在 LDA 或 GGA 能量泛函中加入了一个 Hubbard 参数 U 对应项，即 DFT+U 的方法。因此在计算催化剂（包括过渡金属）的能带性质时，需要根据前人研究对不同的过渡金属加不同的 U 值。半导体光催化剂的能带与其光学性能、氧化还原能力息息相关，直接影响着电子激发、光生载流子的传输等，因此能带分析十分重要。因此这期小编主要介绍下能带知识，包括价带、导带、导带底和价带顶等基本概念。价带和导带的区分主要以费米能级为界限，费米能级以上的最低介带为导带，费米能级（Ef）以下的最高介带为价带，导带中最低的能量值称为导带底（CBM），价带中最高的能量值称为价带顶（VBM）。CBM 和 VBM 差值即为带隙值（Eg）。在能带图中可以直观的得到 Eg 的大小，如图1，通过 Eg 值我们可以判断此材料是导体（Eg <0.5 eV）、半导体（0.5 eV < Eg < 3.5 eV）或者绝缘体。Eg 的大小决定了吸收光波长的阈值，关系为：

式1

▲ 图2 某二维半导体材料的能带图某二维材料的 Eg 为 2.326，通过公式可以计算得到其最大吸收波长为 533 nm。而可见光的范围是 380~780 nm，可见此二维材料并没有充分的利用太阳能。Eg 越小，可见光吸收范围越广，但是 Eg 并不是越小越好，Eg 过小会导致更多的光生电子-空穴对未迁移到催化剂表面就复合了，从而影响催化剂的活性。同时我们可以将催化剂导带底和价带顶的能量值换算成电势值，然后与吸附在催化剂表面的物质的氧化还原电势进行对比，通过对比判断是否能够发生此反应。通常想要将一个物质还原掉，需要催化剂的 CBM 比该物质氧化还原电位更负；想要将一个物质氧化掉，需要催化剂的 VBM 比该物质氧化还原电位更正。小编用几种二维材料光催化分解水的例子来进一步说明，从图中我们看到除了 (a)(b)(e)(g) 之外的几种材料的导带底都位于氢气析出反应（HER）氧化还原电势之上，因此这些在这些催化剂的催化下可以发生 HER。

▲ 图3 几种二维材料的能带边缘位置同理，除了 (j) 这种催化剂的表面不能发生氢气析出反应 (OER)，其余几种催化剂理论上都可以进行氧析出反应 (OER)。同时我们可以从不同催化剂的位置，来判断几种催化剂的活性。通常催化剂的导带底位置越高，光生电子的还原能力越强，催化剂的价带顶位置越低，光生空穴的氧化能力越强，催化活性较好；因此我们从图2 中可以得到催化剂的还原能力由强到弱的顺序是 (c)(d)(l)(f)(j)(n)(k)(h)(m)(i)，同时得到催化剂的氧化能力从强到弱的顺序是 (e)(b)(a)(c)(h)(d)(m)(k)(g)(n)(l)(i)(f)。除了分析带隙之外，我们还可以通过能带结构中的色散关系分析载流子的有效质量。在光催化过程中载流子受光激发后，最重要的影响因素是载流子的传输过程，而决定此传输过程的重要参数就是有效质量（m0）,判断标准是有效质量越小，光催化性能越好。例如，单斜相 BiVO4 的载流子的有效质量为 0.3m0，In2O3 载流子的有效质量是15m0，则说明 BiVO4 这种催化剂有利于光生载流子的分离和传输。目前对于相同的催化剂，我们可以通过离子掺杂和寻找不同的晶面的方法得到较小的有效质量，从而可以显著提高半导体材料的光催化性能。学习更多固体与表面理论计算相关内容，欢迎参加首届固体与表面理论计算（固体场）中级培训班（北京，20191017-20191021）；详情请见：

第一届固体与表面理论计算（固体场）中级培训班（北京，10月17日-10月21日

）。 咨询请联系科老师，手机： 13023603385（微信同号）

相关内容链接 ：1、

从「电子结构」开始，教你如何解析理论催化计算结果

2、

研之成理理论催化实战教学 —— 电子结构分析二

3、

研之成理理论催化实战教学 —— 电子结构分析三

4、

研之成理理论催化实战教学 —— 电子结构分析四

5、

研之成理理论催化实战教学 —— 电子结构分析六COOP

6、

研之成理理论催化实战教学 —— 电子结构分析七COHP

更多理论计算相关内容，请在公众号内搜索「理论」查看全部内容。

求一些化合物半导体的能带参数:CuS,CdS的价带导带具体多少电...

[最佳回答]这种半导体都是一种空间结果,化学式是最简单的缩写,不能反应该物质的本质的,所以谈不上化学价!

【绝缘体、半导体和导体的能带特点.】作业帮

[最佳回答]绝缘体的禁带宽度较大,价带顶的电子难以跃迁到导带底成为自由电子,故电导率较低;导体的禁带宽度较小,价带顶的电子容易跃迁到导带底成为自由电子,同...

半导体车间能带手机吗?

不能在半导体车间中,空气净化系统是必不可少的。它能够有效过滤空气中的尘埃、细菌、病毒等微粒,保证车间的空气清洁度。此外,空气净化系统还需要具备温湿度调...

导体半导体绝缘体的能带特征分别是什么?-themis7的回答...

金属导体的能带没有禁带,半导体和绝缘体的能带存在禁带。在能带结构上,半导体和绝缘体是相同的,但是其最大不同点在于禁带宽度大小的差异;一般,半导...

能带理论对功能材料的意义?

能带理论对功能材料的研究和应用具有重要意义,具体体现在以下几个方面:1.材料设计:能带理论为材料科学家和工程师提供了一个理论框架,帮助他们了解和预测材...

半导体带系范围是多少?-盖德问答-化工人互助问答社区

记忆中是0.5ev---5ev但是查阅书籍没找到,只能是参考。但是书上举例给出的主要半导体最小为o.56最大为5.4ev导体,半导体,绝缘体,通过能带理论区分...

半导体中的价电子占有的能带是价带还是导带?_作业帮

[最佳回答]又是你啊.应该是价带吧,由于原子在紧密结合的时候,分裂的能级由于轨道重叠,形成能带.而价电子是半导体原子与周围原子形成公价键时出现的.一般说,半...

...在0K时能被电子占满的最高能带.对半导体而言,此能带中的能...

[最佳回答]就是在标准情况下

请问半导体物理里的能带的杂化是什么意思?_作业帮

[最佳回答]话说应该是化学的部分吧能带理论解释:金属因为轨道最外层轨道和内层轨道能量差异较大,便出现了两条互不重叠或交盖的能带,这样的能带成为导带,电子...

半导体为什么升温后导电性增强?

半导体温度升高时原子能带间隙缩小,能带重叠部分增加,导致自由点子增多导电能力增大。导体温度升高时自由电子运动的无序性增强,方向性减小,导致导电能力降低...

高校营销蒂森特

半导体能带什么叫能带？金属为啥能导电？导体半导体绝缘体导电性为何不同？

什么叫能带？金属为啥能导电？导体半导体绝缘体导电性为何不同？