Biophysics · 07.03

絶縁体のエネルギー準位

Energy levels of electrical insulators

🧠 絶縁体insulator絶縁体（insulator）insulator（絶縁体）では価電子帯valence band価電子帯（valence band）valence band（価電子帯）が満たされ、伝導帯conduction band伝導帯（conduction band）conduction band（伝導帯）とのバンドギャップband gapバンドギャップ（band gap）band gap（バンドギャップ）が大きいため、常温で可動担体mobile charge carrier可動担体（mobile charge carrier）mobile charge carrier（可動担体）がほとんどない。

大きなバンドギャップ

孤立原子isolated atom孤立原子（isolated atom）isolated atom（孤立原子）の離散準位は多数原子の結晶中でバンドへ広がる。フェルミ準位Fermi levelフェルミ準位（Fermi level）Fermi level（フェルミ準位）近傍に利用可能な状態がないため電場electric field電場（electric field）electric field（電場）をかけても持続電流が流れにくい。

flowchart TD
  A["原子準位がバンド形成"]
  B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='valence band'>価電子帯</span>充満・大きな<span class='jp-term jp-term-diagram' title='band gap'>バンドギャップ</span>"]
  C["担体不足で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conductivity'>低伝導率</span>"]
  A --> B
  B --> C

絶縁体のバンド構造

E_g=E_{\mathrm{conduction}}-E_{\mathrm{valence}}

通常 $E_g$ が数eV以上で熱励起thermal excitation熱励起（thermal excitation）thermal excitation（熱励起）が小さい。

伝導が生じる例外

結晶中で原子準位がバンドへ広がる過程は吸収端や透明領域transparent window透明領域（transparent window）transparent window（透明領域）にも現れる。バンドギャップband gapバンドギャップ（band gap）band gap（バンドギャップ）を小さくすると導体や半導体semiconductor半導体（semiconductor）semiconductor（半導体）との違いが明確になる。

絶縁体insulator絶縁体（insulator）insulator（絶縁体）も強電場electric field電場（electric field）electric field（電場）では降伏breakdown降伏（breakdown）breakdown（降伏）する。
光子エネルギーがバンドギャップband gapバンドギャップ（band gap）band gap（バンドギャップ）を超えると吸収・光伝導photoconduction光伝導（photoconduction）photoconduction（光伝導）。
誘電体dielectric誘電体（dielectric）dielectric（誘電体）偏光polarized light偏光（polarized light）polarized light（偏光）は電流なしでも起こる。

材料・生体への応用

細胞膜脂質は低伝導率low conductivity低伝導率（low conductivity）low conductivity（低伝導率）の誘電体dielectric誘電体（dielectric）dielectric（誘電体）として静電容量を形成する。

まとめ

絶縁体insulator絶縁体（insulator）insulator（絶縁体）では価電子帯valence band価電子帯（valence band）valence band（価電子帯）が満たされ、伝導帯conduction band伝導帯（conduction band）conduction band（伝導帯）とのバンドギャップband gapバンドギャップ（band gap）band gap（バンドギャップ）が大きいため、常温で可動担体mobile charge carrier可動担体（mobile charge carrier）mobile charge carrier（可動担体）がほとんどない。
絶縁体insulator絶縁体（insulator）insulator（絶縁体）も強電場electric field電場（electric field）electric field（電場）では降伏breakdown降伏（breakdown）breakdown（降伏）する。
細胞膜脂質は低伝導率low conductivity低伝導率（low conductivity）low conductivity（低伝導率）の誘電体dielectric誘電体（dielectric）dielectric（誘電体）として静電容量を形成する。