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真性・外因性半導体(中級編)
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初級編では、真性半導体、P形、N形半導体について、シリコンを例に説明してきました。中級編では、これらのバンド構造について説明します。
この記事を読む前に、 `導体・絶縁体・半導体`_ を一読されることをお勧めします。
.. _`導体・絶縁体・半導体`: http://www12.plala.or.jp/ksp/solid/differenceOfResistance/
真性半導体
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真性半導体のバンド構造は、 `導体・絶縁体・半導体`_ で見たとおり、下の図のようなバンド構造です。
.. _`導体・絶縁体・半導体`: http://www12.plala.or.jp/ksp/solid/differenceOfResistance/
＜図（後で描きます）＞
絶対零度（0 K)では、価電子帯や伝導帯にキャリアは全く存在せず、電界をかけても電流は流れません。
しかし、ある有限の温度（例えば300 K）では、熱からエネルギーを得た電子が価電子帯から伝導帯へ飛び移り、電子正孔対ができます。このため、温度上昇とともに電子や正孔が増え、抵抗率が低くなります。
N形半導体
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ドナー
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14族であるシリコン（Si）に15族のリン（P）やヒ素（As）を不純物として添加し、Si原子に置き換わったとします。このとき、15族の元素の周りには、結合に寄与しない価電子が1つ存在します。この電子は、共有結合に関与しないため、比較的小さな熱エネルギーを得て容易に自由電子となります。一方、電子を1つ失った15族の原子は正にイオン化します。自由電子と違い、イオン化した原子は動くことが出来ません。この不純物原子のことをドナーといいます。
バンド構造
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このバンド構造を示すと、下の図のように、伝導帯からエネルギー $\Delta E $ だけ低いところにドナーが準位を作っていると考えられます。
＜図（後で描きます）＞
ドナー準位の電子は周囲からイオン化エネルギー $\Delta E $ を熱エネルギーとして得ることにより、導電帯に励起され自由電子となります。ドナーは不純物として半導体中に含まれているため、まばらに分布していることを示すために、通常図中のように破線で描きます。
多くの場合、ドナーとして添加される不純物の $\Delta E $ は比較的小さいため、室温付近の温度領域では熱エネルギーを得てほとんどのドナーがイオン化していると考えて問題はありません。また、真性半導体の場合と同様、熱エネルギーを得て電子が価電子帯から伝導帯へ励起され、電子正孔対ができるます。このため、N形半導体にも、自由電子の数よりは何桁も少ないですが、正孔が存在します。
N形半導体中で、自由電子のことを多数キャリアと呼び、正孔のことを少数キャリアと呼びます。
半導体デバイスでは、多数キャリアだけでなく、少数キャリアも非常に重要な役割を果たします。数は多数キャリアに比べてとっても少ないですが、少数キャリアも存在することを忘れないでください。
P形半導体
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アクセプタ
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バンド構造
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ドナー･アクセプタ準位のおよその計算
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@@author:篠原@@
@@accept:2005-12-28@@
公開制作/真性・外因性半導体(中級編)/記事ソース のバックアップソース(No.7)
