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外因性 半導体はドーピングされた半導体です。半導体結晶の製造中に、ドーピング剤と呼ばれる微量元素または化学物質が化学的に結晶に組み込まれ、純粋な半導体結晶（内因性半導体と呼ばれます）とは異なる電気的特性を与えます。外因性半導体では、結晶格子内のこれらの外来ドーパント原子が主に結晶を通じて電流を運ぶ電荷キャリアを提供します。使用されるドーピング剤には 2 種類あり、その結果 2 種類の外因性半導体が生成されます。電子供与ドーパントは、結晶に組み込まれると結晶格子に移動可能な伝導電子を放出する原子です。電子供与原子でドーピングされた外因性半導体は、結晶内の電荷キャリアの大部分が負の電子であるため、 n 型半導体と呼ばれます。電子受容体ドーパントは、格子から電子を受け入れて、正電荷を帯びた粒子のように結晶内を移動できる正孔と呼ばれる電子が存在する空孔を形成する原子です。電子受容体原子がドープされた外因性半導体は、結晶内の電荷キャリアの大部分が正孔であるため、 p 型半導体と呼ばれます。
ドーピングは半導体が示すことができる非常に幅広い電気的動作の鍵であり、外因性半導体はダイオード、トランジスタ、集積回路、半導体レーザー、LED、光電池などの半導体電子デバイスの製造に使用されます。フォトリソグラフィーなどの高度な半導体製造プロセスにより、同じ半導体結晶ウェハの異なる領域に異なるドーパント元素を注入して、ウェハの表面に半導体デバイスを作成できます。たとえば、一般的なタイプのトランジスタであるnpnバイポーラトランジスタは、p型半導体領域で分離された2つのn型半導体領域を持つ外因性半導体結晶で構成され、各部分に金属接点が取り付けられています。
半導体の伝導
固体物質は、原子に付着しておらず自由に動き回れる荷電粒子、電子を含む場合にのみ電流を伝導できます。金属導体では、電子を供給するのは金属原子です。通常、各金属原子は外側の軌道電子の 1 つを放出して伝導電子となり、結晶中を動き回って電流を運びます。したがって、金属内の伝導電子の数は原子の数と等しく、非常に大きな数であるため、金属は優れた導体となります。
金属とは異なり、バルク半導体結晶を構成する原子は、伝導を担う電子を提供しません。半導体では、電気伝導は、結晶内の不純物またはドーパント原子によって提供される可動電荷キャリア、電子、または正孔によるものです。外在的半導体では、結晶内のドーピング原子の濃度によって電荷キャリアの密度が主に決まり、それが電気伝導率やその他の多くの電気特性を決定します。これが半導体の汎用性の鍵であり、ドーピングによって半導体の伝導率を何桁も操作できます。
半導体ドーピング
半導体ドーピングは、真性半導体を外在半導体に変えるプロセスです。ドーピング中、不純物原子が真性半導体に導入されます。不純物原子は、真性半導体の原子とは異なる元素の原子です。不純物原子は、真性半導体のドナーまたはアクセプタとして機能し、半導体の電子と正孔の濃度を変えます。不純物原子は、真性半導体に与える影響に基づいて、ドナー原子またはアクセプタ原子に分類されます。
ドナー不純物原子は、本質的な半導体格子内で置換する原子よりも多くの価電子を持っています。ドナー不純物は、余分な価電子を半導体の伝導帯に「提供」し、本質的な半導体に余分な電子を提供します。余分な電子は半導体の電子キャリア濃度 (n 0 ) を増加させ、半導体を n 型にします。
アクセプタ不純物原子は、真性半導体格子内で置換する原子よりも価電子が少なくなっています。アクセプタ不純物原子は、半導体の価電子帯から電子を「受け入れ」ます。これにより、真性半導体に過剰な正孔が供給されます。過剰な正孔により、半導体の正孔キャリア濃度 (p 0 ) が増加し、p 型半導体が形成されます。
半導体とドーパント原子は、周期表のどの列に属するかによって定義されます。半導体の列定義によって、その原子が持つ価電子の数と、ドーパント原子が半導体のドナーとして機能するかアクセプターとして機能するかが決まります。
IV族半導体では、 V 族原子をドナーとして使用し、III 族原子をアクセプターとして 使用します。
III-V族半導体、つまり化合物半導体は、VI 族原子をドナーとして、II 族原子をアクセプターとして使用します。III-V 族半導体は、 IV 族原子をドナーまたはアクセプターとして使用することもできます。IV 族原子が半導体格子内の III 族元素を置き換えると、IV 族原子はドナーとして機能します。逆に、IV 族原子が V 族元素を置き換えると、IV 族原子はアクセプターとして機能します。IV 族原子はドナーとアクセプターの両方として機能するため、両性不純物として知られています。
2種類の半導体
N型半導体
N 型半導体は、製造時に真性半導体に電子ドナー元素をドープすることで作成されます。n型という用語は、電子の負電荷に由来しています。n型半導体では、電子が多数キャリアで、正孔が少数キャリアです。n型シリコンの一般的なドーパントは、リンまたはヒ素です。n型半導体では、フェルミ準位は真性半導体のフェルミ準位よりも高く、価電子帯よりも伝導帯の近くにあります。
P型半導体
p 型半導体は、製造中に真性半導体に電子受容体元素をドープすることで作成されます。p型という用語は、正孔の正電荷を指します。n型半導体とは対照的に、 p 型半導体は電子濃度よりも正孔濃度が大きくなります。p型半導体では、正孔が多数キャリアで、電子が少数キャリアです。シリコンの一般的なp 型ドーパントは、ホウ素またはガリウムです。p型半導体の場合、フェルミ準位は真性半導体より低く、伝導帯よりも価電子帯に近い位置にあります。
外因性半導体の使用
外因性半導体は、多くの一般的な電気機器のコンポーネントです。半導体ダイオード(一方向にのみ電流を流すデバイス) は、互いに 接合されたp 型半導体と n 型半導体で構成されています。現在、ほとんどの半導体ダイオードでは、ドープされたシリコンまたはゲルマニウムが使用されています。
トランジスタ(電流の切り替えを可能にするデバイス) も外部半導体を使用します。 電流を増幅するバイポーラ接合トランジスタ(BJT) はトランジスタの一種です。最も一般的な BJT は NPN 型と PNP 型です。NPN トランジスタには、p 型半導体を挟んだ 2 層の n 型半導体があります。PNP トランジスタには、n 型半導体を挟んだ 2 層の p 型半導体があります。
電界効果トランジスタ(FET) は、外部半導体を使用して電流を増幅する別のタイプのトランジスタです。BJT とは異なり、 N チャネルまたは P チャネルのいずれかの単一キャリア タイプ動作を伴うため、ユニポーラと呼ばれます。FET は、3 端子半導体である接合ゲート FET (JFET) と、4 端子半導体である絶縁ゲート FET ( IGFET ) の 2 つのファミリーに分類されます。
外在半導体を実装したその他のデバイス:
参照
参考文献
- Neamen, Donald A. (2003).半導体物理とデバイス: 基本原理 (第 3 版) . McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-232107-5。
外部リンク
- Howstuffworks: 半導体の仕組み