エネルギーバンド図の読み方｜金属・半導体・pn接合まで図解で解説

エネルギーバンド図（バンド図）とは、固体中の電子が取り得るエネルギーを縦軸にとり、伝導帯・価電子帯・バンドギャップの位置関係を表した図です。金属と絶縁体の違いから、n型・p型半導体、pn接合の整流作用まで、半導体デバイスの動作はほぼすべてこの一枚の図で説明できます。本記事では、バンド図の基本の読み方から代表的な6パターンを図解で順番に解説します。

ポイント

バンド図の縦軸はエネルギー ─ 上の帯が伝導帯、下の帯が価電子帯、その間が禁制帯（バンドギャップ）
金属はバンドが重なりギャップなし、半導体は約1.1eV（Si）、絶縁体は5eV以上
覚える記号は3つ：Ec（伝導帯の底）・Ev（価電子帯の頂上）・EF（フェルミ準位）
n型はEFが伝導帯寄り、p型は価電子帯寄り ─ ドーピングでフェルミ準位が動く
pn接合ではバンドが曲がって内蔵電位の障壁を作り、バイアスで障壁が上下して整流作用が生まれる

エネルギーバンド図とは？Ec・Ev・EFの読み方

エネルギーバンド図は、結晶中の電子が取り得るエネルギー準位を帯（バンド）として描いた図で、バンド理論を視覚化したものです。縦軸はエネルギーで、上に行くほど高エネルギーです。図に登場する記号は主に3つ：Ec は伝導帯の底（これより上で電子が自由に動ける）、Ev は価電子帯の頂上（これより下は電子でほぼ満杯）、EF はフェルミ準位（電子の詰まり具合を示す統計的な基準線）です。EcとEvの間のエネルギー領域が禁制帯（バンドギャップ）で、電子はここに存在できません。この3本の線の位置関係を読めれば、材料の導電性やデバイスの動作が図から直接わかります。

金属・半導体・絶縁体のバンド構造の違い

3種類の材料の違いはバンドギャップの幅だけで説明できます。金属（導体）は価電子帯と伝導帯が重なっており、ギャップがないため電子は常に自由に動け、いつでも電気を通します。半導体（シリコンなど）はギャップが約1.1eVと狭く、常温の熱エネルギーや光、ドーピングによって電子が伝導帯へ上がれるため、条件次第で電気を通します。絶縁体（SiO₂など）はギャップが5eV以上と広く、通常の条件では電子が越えられないため電気をほぼ通しません。「金属のバンド構造にはギャップがない」という点が、半導体・絶縁体との決定的な違いです。

金属（導体）・半導体・絶縁体のエネルギーバンド構造比較図。金属は価電子帯と伝導帯が重なりバンドギャップがなく、半導体は約1.1eVの狭いギャップ、絶縁体は5eV以上の広いギャップを持つことを示すバンド図。 — 金属・半導体・絶縁体のバンド構造比較 ─ バンドギャップの幅が導電性を決める

真性半導体のバンド図 ─ フェルミ準位はギャップ中央

不純物を含まない純粋な半導体（真性半導体）のバンド図では、フェルミ準位EFがバンドギャップのほぼ中央に位置します。常温では熱エネルギーによって価電子帯の電子の一部が伝導帯へ励起され、伝導帯に自由電子が、価電子帯にはその抜け跡である正孔（ホール）が生まれます。励起はペアで起こるため、電子と正孔の数は常に等しく（n = p = ni）、これが真性半導体のバンド図の最大の特徴です。この状態を出発点に、不純物を加えるとバンド図がどう変わるかが次のn型・p型の話につながります。

真性半導体のエネルギーバンド図。フェルミ準位EFがバンドギャップのほぼ中央に位置し、熱励起により電子と正孔が同数生成されることを示す。 — 真性半導体のバンド図 ─ EFはギャップ中央、電子と正孔は同数生成

n型半導体・p型半導体のバンド図 ─ ドナー準位とアクセプタ準位

n型半導体はリンやヒ素（ドナー）を加えたもので、バンド図では伝導帯の底Ecのすぐ下（約0.05eV）にドナー準位EDが現れます。ドナーの電子はわずかな熱エネルギーで伝導帯に上がれるため、伝導帯には多数の自由電子が供給され、フェルミ準位EFは伝導帯寄りに上がります。p型半導体はホウ素（アクセプタ）を加えたもので、価電子帯の頂上Evのすぐ上にアクセプタ準位EAが現れ、価電子帯に多数の正孔が生まれてEFは価電子帯寄りに下がります。「n型はEFが上、p型はEFが下」─ この非対称性が、両者を接合したときにバンドが曲がる原因になります。

n型半導体とp型半導体のエネルギーバンド図比較。n型はドナー準位EDが伝導帯直下にありフェルミ準位が伝導帯寄り、p型はアクセプタ準位EAが価電子帯直上にありフェルミ準位が価電子帯寄りに位置する。 — n型・p型半導体のバンド図 ─ ドーピングでフェルミ準位の位置が変わる

pn接合のバンド図 ─ バンドの曲がりと内蔵電位

p型とn型を接合すると、フェルミ準位の高いn側から低いp側へ電子が拡散し、接合部で正孔と再結合してキャリアのない空乏層ができます。熱平衡ではフェルミ準位EFが全体で一直線に揃うため、もともとEFの位置が違っていたp側とn側のバンドは接合部で滑らかに曲がります。この曲がりの高さが内蔵電位qVbi（シリコンで約0.6〜0.7V）で、キャリアがそれ以上拡散するのを妨げる障壁として働きます。「なぜpn接合のバンド図は曲がるのか」という定番の疑問への答えは、「熱平衡ではEFが一直線になる必要があるから」の一言に尽きます。

pn接合の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図。接合部の空乏層でバンドが曲がり、内蔵電位qVbiの障壁が形成され、フェルミ準位は全体で一直線に揃うことを示す。 — pn接合のバンド図（熱平衡） ─ EFが一直線に揃うためにバンドが曲がる

順バイアス・逆バイアスでバンドはどう変わるか

pn接合に順バイアス（p側に＋）をかけると、外部電圧が内蔵電位を打ち消す向きに働き、障壁はq(Vbi−VF)まで低くなります。電子と正孔が障壁を越えて相手側に注入され、順方向電流が流れます。逆バイアス（p側に−）では逆に障壁がq(Vbi+VR)まで高くなり、空乏層も広がってキャリアは移動できず、微小なリーク電流しか流れません。この「バイアスで障壁が上下する」動きこそがダイオードの整流作用の正体で、トランジスタや太陽電池の動作もこのバンド図の変化の応用として理解できます。

pn接合に順バイアス・逆バイアスを加えたときのエネルギーバンド図比較。順バイアスでは障壁が下がって電流が流れ、逆バイアスでは障壁が高くなり空乏層が広がって電流が遮断される。 — 順バイアス・逆バイアス時のバンド図 ─ 障壁の上下が整流作用を生む

よくある質問

エネルギーバンド図とは何ですか？

固体中の電子が取り得るエネルギーを縦軸にとり、伝導帯・価電子帯・バンドギャップの位置関係を帯状に描いた図です。Ec（伝導帯の底）・Ev（価電子帯の頂上）・EF（フェルミ準位）の3本の線の位置関係から、材料の導電性や半導体デバイスの動作を読み取れます。

金属のバンド構造はどうなっていますか？

金属では価電子帯と伝導帯が重なっており、バンドギャップがありません。そのため電子は常に自由に動ける状態にあり、温度や光の条件にかかわらず電気をよく通します。ギャップの有無が金属と半導体・絶縁体の決定的な違いです。

n型半導体とp型半導体のバンド図の違いは何ですか？

n型は伝導帯の底のすぐ下にドナー準位ができ、フェルミ準位EFが伝導帯寄りに上がります。p型は価電子帯の頂上のすぐ上にアクセプタ準位ができ、EFが価電子帯寄りに下がります。このEFの位置の違いが、pn接合でバンドが曲がる原因になります。

pn接合のバンド図はなぜ曲がるのですか？

熱平衡ではフェルミ準位EFが全体で一直線に揃う必要があるためです。n型はEFが高く、p型は低いため、接合するとEFを揃えるように接合部（空乏層）でバンドが滑らかに曲がり、内蔵電位qVbi（シリコンで約0.6〜0.7V）の障壁が形成されます。

フェルミ準位（EF）とは何ですか？

電子がエネルギー準位をどこまで占有しているかを示す統計的な基準線で、電子の占有確率が50%になるエネルギーです。真性半導体ではギャップ中央、n型では伝導帯寄り、p型では価電子帯寄りに位置し、ドーピング状態を読み取る手がかりになります。

順バイアスと逆バイアスでバンド図はどう変わりますか？

順バイアスでは外部電圧が内蔵電位を打ち消し、障壁がq(Vbi−VF)に下がってキャリアが注入され電流が流れます。逆バイアスでは障壁がq(Vbi+VR)に上がり空乏層が広がるため、微小なリーク電流を除き電流は流れません。これがダイオードの整流作用の仕組みです。

出典・参考資料

HyperPhysics（ジョージア州立大学）「Band Theory of Solids」（2026/10/10 確認）
東芝デバイス＆ストレージ「1-2. エネルギーバンド図」（2026/10/10 確認）
立命館大学藤野毅「半導体工学（4）エネルギー帯図」（2026/10/10 確認）
HyperPhysics（ジョージア州立大学）「Fermi Level」（2026/10/10 確認）
立命館大学藤野毅「半導体工学（6）半導体のキャリア（2）」（2026/10/10 確認）
東芝デバイス＆ストレージ「1-6. pn接合」（2026/10/10 確認）

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