電子と「正孔」
純粋な半導体は、金属と比較して比較的優れた絶縁体ですが、ガラスのような真の絶縁体ほど優れているわけではありません。半導体アプリケーションで役立つように、真性半導体 （純粋なドープされていない半導体）は、100億個の半導体原子のうち1つ以下の不純物原子を持っている必要があります。これは、砂糖の鉄道有蓋車の塩不純物の粒に類似しています。不純または汚れた半導体は、金属ほどではありませんが、かなり導電性が高くなります。なぜこれなのか？その質問に答えるには、下の図でそのような材料の電子構造を調べる必要があります。
電子構造
下の図（a）は、半導体の原子価殻にある4つの電子が、他の4つの原子と共有結合を形成しているところを示しています。これは、上の図の平坦化された、描画しやすいバージョンです。原子のすべての電子は、共有電子のペアである4つの共有結合で結ばれています。電子は結晶格子の周りを自由に動くことはできません。したがって、真性で純粋な半導体は、金属と比較して比較的優れた絶縁体です。
（a）真性半導体は、完全な電子殻を持つ絶縁体です。 （b）ただし、熱エネルギーによって電子正孔対がほとんど生成されず、伝導が弱くなる可能性があります。
上の図（b）のように、熱エネルギーによって結晶格子から電子が解放されることがあります。この電子は、結晶格子の周りを自由に伝導できます。電子が解放されると、穴として知られる結晶格子内に正電荷を持つ空のスポットが残りました。 。この穴は格子に固定されていません。しかし、自由に動き回ることができます。自由電子と正孔は両方とも、結晶格子の周りの伝導に寄与します。つまり、電子は穴に落ちるまで自由です。これは組換えと呼ばれます 。半導体に外部電界をかけると、電子と正孔は反対方向に伝導します。温度を上げると、電子と正孔の数が増え、抵抗が減少します。これは、電子と結晶格子との衝突を増加させることによって抵抗が温度とともに増加する金属とは反対です。真性半導体の電子と正孔の数は同じです。ただし、両方のキャリアは、外部フィールドの適用によって必ずしも同じ速度で移動するわけではありません。これを表す別の方法は、モビリティです。 電子と正孔は同じではありません。
半導体不純物
純粋な半導体自体は、特に有用ではありません。ただし、半導体は、特定の不純物を添加する前に、出発点として高レベルの純度に精製する必要があります。
100億分の1の純粋な半導体材料には、キャリアの数を増やすために、1,000万分の1の割合で特定の不純物が追加される場合があります。半導体への目的の不純物の添加は、ドーピングとして知られています。 。ドーピングは半導体の導電率を高めるため、絶縁体よりも金属に匹敵します。
電子ドナーをドープすることにより、半導体結晶格子内の負電荷キャリアの数を増やすことができます。 リンのように。 N型としても知られる電子供与体 ドーパントには、周期表のVA族の元素（窒素、リン、ヒ素、アンチモン）が含まれます。窒素とリンはダイヤモンドのN型ドーパントです。リン、ヒ素、アンチモンはシリコンと一緒に使用されます。
下の図（b）の結晶格子には、外殻に4つの電子を持つ原子が含まれており、隣接する原子と4つの共有結合を形成しています。これが予想される結晶格子です。外殻に5つの電子を持つリン原子を追加すると、シリコン原子と比較して、格子に余分な電子が導入されます。 5価の不純物は、5つの電子のうち4つで4つのシリコン原子に4つの共有結合を形成し、1つの電子が残った状態で格子に適合します。この予備の電子は、通常のSi原子の電子のように格子に強く結合していないことに注意してください。リンの格子サイトに拘束されることなく、結晶格子の周りを自由に動き回ることができます。 1000万個のシリコン原子に一部のリンをドープしたため、多数のシリコン原子に比べて自由電子はほとんど生成されませんでした。ただし、真性シリコンの電子正孔対が少ないのに比べて、多くの電子が生成されました。外部電界を印加すると、伝導帯（価電子帯より上）のドープされた半導体に強い伝導が生じます。ドーピングレベルが高いほど、伝導が強くなります。したがって、導電性の低い真性半導体は、良好な導電体に変換されています。
（a）ドナーN型リン、シリコン（参照用）、およびアクセプターP型ホウ素の外殻電子配置。 （b）N型ドナー不純物は自由電子を生成します（c）P型アクセプター不純物は正孔、正電荷キャリアを生成します。
シリコンに比べて電子が不足している不純物を導入することも可能であり、シリコンの場合は4つであるのに対し、原子価殻には3つの電子があります。上の図（c）では、これにより穴と呼ばれる空のスポットが残ります。 、正電荷キャリア。ホウ素原子は4つのシリコン原子に結合しようとしますが、価電子帯には3つの電子しかありません。 4つの共有結合を形成しようとすると、3つの電子が動き回って4つの結合を形成しようとします。これにより、穴が動いているように見えます。さらに、三価原子は、隣接する（またはより離れた）シリコン原子から電子を借りて、4つの共有結合を形成する場合があります。ただし、これにより、シリコン原子に1つの電子が不足したままになります。言い換えれば、穴は隣接する（またはより離れた）シリコン原子に移動しました。正孔は、伝導帯より下のレベルの価電子帯に存在します。電子アクセプターによるドーピング 、電子を受け入れる可能性のある原子は、過剰な正孔と同じように、電子の不足を引き起こします。正孔は正電荷キャリアであるため、電子受容体ドーパントは P型としても知られています。 ドーパント。 P型ドーパントは、半導体に過剰な正孔、正電荷キャリアを残します。周期表のIIIA族のP型元素には、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムが含まれます。ホウ素はシリコンおよびダイヤモンド半導体のP型ドーパントとして使用され、インジウムはゲルマニウムとともに使用されます。
下の図の電子伝導に類似した「チューブ内の大理石」は、正孔の動きと電子の動きを関連付けています。大理石は、導体であるチューブ内の電子を表しています。ワイヤーやN型半導体のように左から右への電子の移動は、電子が左側のチューブに入り、右側の電子を強制的に排出することによって説明されます。 N型電子の伝導は伝導帯で起こります。それを価電子帯の穴の動きと比較してください。
チューブのアナロジーの大理石：（a）電子がチューブに入ると、電子は伝導帯内を右に移動します。 （b）電子が左に移動すると、正孔は価電子帯内を右に移動します。
上の図（b）の左側に穴が入るには、電子を除去する必要があります。穴を左から右に動かすときは、電子を右から左に動かす必要があります。最初の電子はチューブの左端から放出され、穴が右に移動してチューブに入ることができます。電子は正孔の反対方向に移動しています。穴がさらに右に移動すると、電子は穴を収容するために左に移動する必要があります。 P型ドーピングにより価電子帯に電子が存在しない場合の正孔。それは局所的な正電荷を持っています。穴を特定の方向に移動するには、価電子が反対方向に移動します。
N型半導体の電子の流れは、金属線を移動する電子に似ています。 N型ドーパント原子は、伝導に利用できる電子を生成します。ドーパントによるこれらの電子は、マジョリティキャリアとして知られています。 、非常に少数の熱穴と比較して、それらは大多数であるためです。下の図（a）のN型半導体バーに電界が印加されると、電子はバーの負（左）端に入り、結晶格子を横切り、右から（+）バッテリー端子に出ます。
（a）電子が結晶格子を通って左から右に移動するn型半導体。 （b）左から右に移動する正孔を持つp型半導体。これは、反対方向に移動する電子に対応します。
P型半導体の電流の流れを説明するのはもう少し難しいです。電子受容体であるP型ドーパントは、正孔として知られる正電荷の局所領域を生成します。 P型半導体の主要なキャリアは正孔です。正孔は3価のドーパント原子サイトで形成されますが、半導体バーの周りを移動する場合があります。上の図（b）のバッテリーは（a）と逆になっていることに注意してください。バッテリーのプラス端子は、P型バーの左端に接続されています。電子の流れは、バッテリーのマイナス端子からPタイプのバーを通って出て、バッテリーのプラス端子に戻ります。正のバッテリー端子用の半導体バーの正（左）端を離れる電子は、半導体に穴を残し、それが右に移動する可能性があります。穴は結晶格子を左から右に横断します。バーの負の端で、バッテリーからの電子が穴と結合し、それを中和します。これにより、バーの正の端で右に向かって別の穴が入る余地ができます。正孔が左から右に移動するとき、見かけの正孔の移動の原因となるのは実際には反対方向に移動する電子であることに注意してください。
半導体の製造に使用される元素
半導体の製造に使用される要素は、以下の図に要約されています。最も古いグループのIVAバルク半導体材料ゲルマニウムは、今日、限られた範囲でしか使用されていません。シリコンベースの半導体は、すべての半導体の商業生産の約90％を占めています。ダイヤモンドベースの半導体は、現時点でかなりの可能性を秘めた研究開発活動です。記載されていない化合物半導体には、シリコンゲルマニウム（Siウェーハ上の薄層）、炭化ケイ素、およびガリウムヒ素などのIII-V化合物が含まれます。 III-VI化合物半導体には、AlN、GaN、InN、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、Al x が含まれます。 Ga 1-x As、およびIn x Ga 1-x として。図に示されていない周期表の列IIとVIも、化合物半導体を形成します。
グループIIIAPタイプのドーパント、グループIVの基本的な半導体材料、およびグループVANタイプのドーパント。
上の図にIIIAおよびVA基が含まれている主な理由は、IVA族半導体で使用されるドーパントを示すためです。 IIIA族元素はアクセプターであるP型ドーパントであり、正のキャリアである結晶格子に正孔を残す電子を受け入れます。ホウ素は、ダイヤモンドのP型ドーパントであり、シリコン半導体の最も一般的なドーパントです。インジウムはゲルマニウムのP型ドーパントです。
VA族元素はドナーであり、N型ドーパントであり、自由電子を生成します。窒素とリンは、ダイヤモンドに適したN型ドーパントです。リンとヒ素は、シリコンに最も一般的に使用されるN型ドーパントです。ただし、アンチモンは使用できます。
レビュー：
- 100億分の1に純粋な真性半導体材料は、貧弱な導体です。
- N型半導体に5価の不純物をドープして、自由電子を生成します。このような材料は導電性です。電子は多数キャリアです。
- 3価の不純物がドープされたP型半導体には、豊富な自由正孔があります。これらは正電荷キャリアです。 P型材料は導電性です。穴は多数キャリアです。
- ほとんどの半導体は周期表のIVA族の元素に基づいており、シリコンが最も一般的です。ゲルマニウムはほとんど時代遅れです。カーボン（ダイヤモンド）が開発されています。
- 炭化ケイ素（IVA族）やヒ化ガリウム（III-V族）などの化合物半導体が広く使用されています。
関連ワークシート：
- 半導体ワークシートの電気伝導
産業技術