フェルミ準位についてイメージを教えて下さい。（概念程度）

質問

金属のフェルミ準位と伝導帯との関係を教えて下さい。金属は、電子が伝導帯にあるから伝導に寄与できる状態にある、ということでなぜフェルミ準位が関わるか分かりません。

　今、実は絶縁物について学んでいて基礎が不十分なためにお聞きしている次第です。そこで、もう一つ質問なのですが、絶縁体のLomoが金属でいう伝導帯とほぼ同じ意味というのを耳にしました。しかし、イメージがわきません。LOMOより浅いエネルギーに電子があるとその電子は伝導に寄与するということでしょうか？

バンド理論についてはことのほか素人であるため、教えて頂けると幸いです。

回答No.2

DIGAMMA · ベストアンサー

こんちは、学勉、ご苦労さまです。

原子核を太陽として、地球軌道を荷電子帯（非伝導体）とし、火星（地球の外側）を伝導体と考えると、火星軌道の電子だけが自由に動け、電流の担い手となると考えることはできると察します。

どんな原子も伝導体軌道に電子は存在しませんが、金属のように、他の原子が近くに密集している場合、（つまり、太陽のすぐそばに別の太陽が沢山ある場合）は、その影響で、地球や火星の軌道も乱れます。

運がよければ、地球と火星の距離は０になりますので、地球軌道の電子も、外に飛び出て電流の担い手になることができます。これが金属伝導体です。

　ところが、実際の原子核と電子の関係は、太陽と惑星の関係とは全く異なり、確率（量子力学）の世界となり、これを考慮すると、フェル準位の知識が必要です。

単なる電子工学なら、フェル準位の知識は（極論すれば）不要ですが、物理学（量子力学）だと、フェル準位の知識は必須です。

おそらく、講師は両方を欲張って理解させようとしたのではないかと推測します。（確かに、最先端の業界では両方必要です。）

お礼

有難う御座います。古典力学ではなく、確率の世界であるということに視点を気づかされました。しかし、逆に確率の話になると何かつかみ所のないものに感じてしまいます。さらに、勉強を続けて生きたいと思います。

回答No.3

imoriimori

フェルミ準位は電子の海の平均海面というイメージ。
金属ではフェルミ準位が伝導帯の中にある。

いいかえればフェルミ準位のちょっと上には（あるいは波立っているからちょっと下にも）電子の居場所がいくらもある。電子移動自由。

というイメージではいかがでしょうか？

お礼

有難う御座います。大変助かりました。

回答No.1

パんだ パンだ（@Josquin）

とりあえず、２階建てバスをイメージしてください。但し、このバスでは１階に乗れば運賃が１０円、２階に乗れば運賃が１万円だとします。また、通路は一切無いので、移動するためには座席の上を動かなければなりません。

絶縁体というのは、１階（価電子帯、または、HOMOバンド）が満席で、２階（伝導帯、または、LUMOバンド）が空の状態です。この状態では、誰かを無理やり（熱や光で）２階に上げないと（励起しないと）席替えが出来ません（電気が流れません）。

金属というのは、１階が満席ではない状態（または、２階が満席ではない状態）です。空席があるので、席替えができます（電気が流れます）。

バンドというのは、バスの乗車率を縦長の棒グラフ（上限を１００％とする）で表したものです。フェルミ準位というのは、実際のバスの乗車率です。乗車率が０％や１００％じゃなければ、席替えできますよね？

補足

ご返答有難う御座います。大変分かり易い例えで感謝しております。ここで、さらに質問なのですが、

誰かを無理やり（熱や光で）２階に上げないと（励起しないと）席替えが出来ません＞

とありますが、例えば電子の励起に相当する光のエネルギーを与え続けることができれば、絶縁体の中でも金属でいう自由電子と全く同じように絶縁体中を動き回るのでしょうか？

あと一つ、気になることをお聞きします。ある電子の励起に相当するエネルギー（単一波長）で、光が絶縁体に当たったとします。エネルギー的に浅いところにある電子は励起され出てきます。しかし、深いところにある電子は出てきません。このとき、光は光量をもって物質表面に当たります。電子を励起することができなかった残りの光量は、何エネルギーに変わるのでしょうか？宜しくお願い致します。