半導体はどのように機能するのか | 導電性、p-n 接合およびバイポーラ接合

半導体の仕組みとは

半導体は、無機または有機材料であり、化学構造、温度、照明、およびドーパントの存在に応じてその導電性を制御することができます。半導体という名前は、これらの材料が銅や金などの金属と、ガラスなどの絶縁体の間の電気伝導性を有することに由来します。エネルギーギャップは4eV以下(約1eV)です。固体物理学において、このエネルギーギャップまたはバンドギャップは、価電子帯と伝導帯の間の電子状態が禁止されるエネルギー範囲です。導体とは対照的に、半導体の電子はバンドギャップを越えて伝導帯に達するためにエネルギー(例えば、電離放射線から)を得る必要があります。

半導体の電気伝導性

半導体材料の電子が伝導帯に興奮して自由に動き、電流を運ぶことができるいくつかの方法があります。最も一般的な方法には以下のものがあります。
熱エネルギー: 高温では、価電子帯のいくつかの電子が十分な熱エネルギーを得て自由になり、伝導帯に移動することがあります。これは熱励起と呼ばれ、温度が上昇すると電気伝導性が増加する一般的な方法です。
電磁放射: 光や他の放射形態の電磁放射もまた、電子を伝導帯に興奮させることができます。半導体のバンドギャップエネルギーに等しいかそれ以上のエネルギーを持つ光子が材料に吸収されると、電子は伝導帯に興奮し、電子-ホール対を作り出します。
ドーピング: 半導体材料が不純物でドープされると、材料内に余分な電子またはホールを作り出し、電気伝導性に寄与することができます。例えば、n型半導体では、リンなどのドナー原子でドーピングすると、材料内に余分な電子が生じ、伝導帯に移動して電気伝導性に寄与します。
電場: 外部電場もまた、電子を伝導帯に興奮させることができます。半導体材料に電圧がかけられると、電場が生成され、電子とホールを反対方向に加速し、一部の電子が伝導帯に移動します。

p-n接合

半導体が不純物でドープされると、材料内に余分な電子(n型ドーピング)またはホール(p型ドーピング)が生じ、電気荷を運ぶことができます。これらの余分な電子またはホールは材料内を移動できるため、電気電流の流れを可能にします。異なるドーピング領域を持つ半導体材料が結合されると、p-n接合が形成されます。p-n接合では、n型領域の余分な電子とp型領域のホールが接合を越えて拡散し、結合して、電荷キャリアが枯渇した領域を作り出します。これを枯渇領域と呼びます。

半導体の材料

以下は、3つの固有の半導体と2つのp型およびn型半導体に関する表であり、4つの主要な特性を示しています。
シリコン(Si):固有、バンドギャップ1.12eV、電子移動度1500cm2/Vs、ホール移動度450cm2/Vs、熱伝導率150W/mK
ゲルマニウム(Ge):固有、バンドギャップ0.67eV、電子移動度3900cm2/Vs、ホール移動度1900cm2/Vs、熱伝導率60W/mK
ガリウムアルセニド(GaAs):固有、バンドギャップ1.43eV、電子移動度8500cm2/Vs、ホール移動度400cm2/Vs、熱伝導率46W/mK

半導体の種類

半導体は、その電子特性に基づいて2つの基本的なタイプに分類することができます。
固有半導体: これらは単一の元素(例えば、シリコン、ゲルマニウム)で作られた純粋な半導体であり、不純物で意図的にドープされていません。
外来半導体: これらは電子特性を変更するために意図的に不純物でドープされた不純な半導体です。

How do semiconductors work

 

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