化学徒の備忘録

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半導体の分類と電気伝導性について

半導体について

固体はその電気伝導性によって、金属、半導体(semiconductor)、絶縁体(insulator)の3種類に分類される。

半導体の電気伝導率は金属よりもかなり小さい。また、金属とは逆に温度の上昇とともに電気伝導率は増加する。

半導体では、有効核電荷が大きく原子価軌道が集中して重なりの大きい共有結合をつくっている。そのため、価電子帯(結合性軌道)と伝導帯(反結合性軌道)が分離しバンドギャップを生じている。

絶対零度では、価電子帯は完全に満たされ、伝導帯は完全に空になっている。室温付近では、半導体のバンドギャップは比較的小さいので、価電子帯の電子の一部がボルツマン分布に従って伝導帯に励起される。

半導体では、伝導帯に励起された電子と、励起によって価電子帯に生じた正孔(positive hole)の両方が電荷のキャリヤーとなる。正孔とは、価電子帯に空いた空孔を正電荷をもった粒子とみなしてよんだ単語である。

この状態で半導体に電場がかかると、電子と正孔は互いに逆方向に流れ、電流が生じる。このように純物質がそのまま半導体となるものを真性半導体という。

 これに対して、故意に不純物を混入することによってバンド構造を変えてつくられる半導体のことを不純物半導体という。不純物を添加することをドープするという。また添加される不純物をドーパントという。不純物半導体にはp型半導体とn型半導体の2種類がある。

p型半導体について

ケイ素に13族元素であるホウ素やインジウムをドープすると、ホウ素やインジウムはケイ素の格子点を部分的に置換する。これらはケイ素よりも価電子が1つずつ少なく、また価電子の軌道が感じる有効核電荷も小さいため、フェルミ準位のすぐ上に空の準位ができる。この空の準位をアクセプター準位という。アクセプター準位は小さなエネルギーで価電子帯から励起される電子を受け入れられるようになる。このため、正孔の数が増えて伝導性が高まる。この半導体は正電荷を帯びたキャリヤーがおもに電荷を運ぶため正の意味のpositiveの頭文字pよりp型半導体とよばれる。

n型半導体について

ケイ素に15族元素であるリンやヒ素をドープすると、これらはケイ素よりも価電子数が1つ多く価電子の軌道が感じる有効核電荷も大きいので、伝導帯のすぐ下に電子を含んだ準位を生じる。この準位のことをドナー準位という。ここから小さなエネルギーで伝導帯へ電子が励起されてキャリヤーとなる電子が増え、伝導性が高まる。

 この場合、負電荷を帯びた電子がおもに電荷を運ぶため、負の意味のnegativeの頭文字nよりn型半導体とよばれる。

キャリヤー濃度について

単位体積あたりの電荷のキャリヤー数をキャリヤー濃度という。半導体におけるキャリヤー濃度は、温度が上昇してバンドギャップを飛び越えて励起される電子の数が増えるほど高くなる。このため半導体では温度が高くなるほど電気伝導率が高くなる。