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半導体そのものは製品になることはないが半導体を加工したものが通常は製品になり、半導体デバイスといわれている。  

半導体が使われている製品。半導体デバイスにはどのようなものがあるのだろうか?
 
おもな半導体デバイスをあげてみる。

ダイオード、発光ダイオードレーザーダイオード、受光素子、トランジスタ集積回路(IC)太陽電池マイコン、メモリ、有機EL、周辺デバイス、オペアンプ、コンパレータ、電源用IC、標準ロジック、ASICなど...いかに私たちの生活全般にわたって半導体が使われているかがわかる。

半導体には純粋な半導体と不純物を混ぜたものがある。それぞれ何というだろう?



半導体に使われるシリコン(Si)の純度は、99.999999999%(イレブンナインと呼ぶ)と高純度にしなければ「半導体」としての素材には、使うことが出来ない。また、この半導体の素材だけでは電気は流れにくい。

半導体に電気を流すようにするためには、シリコン(Si)に不純物としてリン(P)やホウ素(B)をドープ(不純物として加える)して、原子レベルの世界で、シリコンに化学結合させる。

この場合リン(P)の不純物を化学結合させたものをn型半導体と呼び、負の電荷を持った自由電子の移動が電気を流すはたらきをする。また、ホウ素(B)の不純物を化学結合させたものをp型半導体と呼び、正の電荷を持ったホール(正孔)の移動により電気を流すはたらきをする。

これらの半導体素材のn型半導体とp型半導体を、化学結合させることにより、トランジスタ、IC、有機EL、発光ダイオードなどの半導体デバイスは作られている。

半導体の3つのタイプ 半導体には、他の物質をまったく混ぜないタイプ(真性半導体)とキャリアとして伝導電子をふやす不純物を混ぜるn型半導体と、キャリアとして正孔をふやす不純物を混ぜるp型半導体の3つがある。

 

真性半導体 不純物や格子欠陥を全く含まない半導体では、全温度領域においてキャリアの供給が価電子の励起のみによる。これを真性半導体と呼ぶ。フェルミ準位は禁制帯の中央に位置する。

純粋な半導体は多くの場合、そのままでは伝導性が低いが、半導体不純物(ドーパント)を混ぜること(ドーピング)でキャリアの密度を上げ、適当な伝導度や性質を持つように作製される。多数キャリアが電子または正孔のどちらであるかによって、それぞれn型とp型に区別される。

 

n型半導体 上の図ではn型半導体 Si(シリコン)にP(リン)をドープした例。5つの赤い丸がリン由来の価電子。一つだけ余った「e-」と書かれている電子が、電荷の運び手(キャリア)となり、結晶中を自由に動き回る。電子(伝導電子または自由電子、正確にはほとんど自由な電子)が過剰な半導体。

価数の多い元素をドーピングするなどの手法で作製される。例えばシリコンやゲルマニウム(4価の元素)の結晶に、ヒ素などの5価の原子を混ぜることでn型となる。原子の結合に用いられず余った自由電子が負の電荷のキャリアとなる。不純物の導入によって生成されたキャリアは、導入された不純物原子から受けるクーロン引力により束縛される。

ただし、その束縛は弱く(ゲルマニウムのn型半導体では、電子束縛エネルギー = -0.01 eV、ボーア半径 = 4.2 nm、なお、結晶の原子間距離 = 0.25 nm)、室温では熱励起(約0.025 eV)により束縛を離れ、結晶中を自由に動き回るようになる。

バンド構造で言えば通常、ドーパント原子は禁制帯の上端付近にドナー準位を形成し、そこから熱エネルギーにて伝導帯へ励起される。フェルミ準位は禁制帯中のドナー準位に近い位置になる。

 

p型半導体 上の図ではn型半導体 Si(シリコン)にB(ホウ素)をドープした例。正孔が過剰な半導体。価数の少ない元素をドーピングするなどの手法で作製される。たとえばシリコン(4価)の結晶にホウ素などの3価の原子を混ぜることでp型となる。

 

電子が不足し原子が結合できない部分(正孔)が正の電荷のキャリアとなる。正孔は電界の変化に反応してあたかも正電荷を持つ荷電粒子であるかのように振舞う。

バンド構造で言えば、ドーパント原子は禁制帯の下端付近にアクセプター準位と呼ばれる空の準位を形成し、アクセプター準位へ価電子帯から熱エネルギーにて価電子が励起されることで、価電子帯に正孔が発生する。フェルミ準位は禁制帯中のアクセプター準位に近い位置になる。
 

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辻村 学
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