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真性・外因性半導体（導入編)
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不純物をほとんど含まない、高純度の半導体を真性半導体といいます。また、不純物を加えることにより、半導体の性質が大きく変わります。この不純物を加えた半導体をN形半導体、P形半導体といいます。シリコン(Si)を例に、これらについて説明します。


真性半導体
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シリコンは、4個の価電子を持っています。そのため、1つのシリコン原子は、その周りにある4つのシリコン原子と1個ずつ電子を出し合い、共有結合をしています。このため、1つのシリコン原子の周りには見かけ上8個の電子がいるため、安定な状態となります。

.. image:: shino-PNI-typeSemiconductor-intro-fig1.png

この図のように、すべての電子はシリコン同士の結合に使われるため、自由に動ける電子は存在しません。このため、真性半導体は高い抵抗率を持つことになります。

N形半導体
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では、シリコンにV族の不純物であるリン(P)を入れたらどうなるでしょうか。リンは5個の価電子を持っているため、4個の電子を持っているシリコンに比べ、電子が一つ多いことになります。

.. image:: shino-PNI-typeSemiconductor-intro-fig2.png

周りの原子との結合に寄与する電子は4つであるため、1つの電子が余ることになります。この余った電子は、弱い力でリン原子に捕まっているので、少しのエネルギーを得て自由になることができます。この電子は自由に動くことができるため、電界を印加すると電界と逆方向へ移動し、電流が流れることになります。このため、真性半導体に比べて抵抗率が低くなります。

P形半導体
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シリコンにIII族の原子であるホウ素(B)を不純物として入れたら、どうなるでしょうか。ホウ素は3個の価電子を持っているため、リンの場合とは逆に、シリコンに比べて電子が一つ少ないことになります。

.. image:: shino-PNI-typeSemiconductor-intro-fig3.png

今度は電子が一つ足りないため、電子の座席に一つ穴があくことになります。この穴は中性だったところから電子が一つ抜けた状態であるため、正の電荷を帯びています。この穴へ、ほかの電子が入ると、その電子が元いた位置に穴が移動しているように見えます。これを次々に繰り返していくと、この穴は電界の方向へ移動して行きます。これを、もっとマクロに見ると、まるで正の電荷を持った粒子が移動しているように見えます。この粒子のことを、 正孔_ といいます。N形半導体と同じように、正孔が自由に移動できるため、真性半導体に比べて低い抵抗率を持ちます。

.. _正孔: http://www12.plala.or.jp/ksp/solid/xxx/

キャリア
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自由電子と正孔をまとめてキャリア(carrier)と呼びます。電荷を「運んでくれる」からキャリアなんですね。

バンド構造
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上級編では、P形、N形の違いをバンド構造を使って説明します。もっと詳しく知りたい方、ダイオードやトランジスタの動作を知りたい方は上級編に進んでください。

@@author:篠原@@
@@accept:2005-11-14@@