半導体の基礎：純粋な半導体とは
半導体は、化学構造、温度、照明、およびドーパントの存在によってその導電性を制御できる無機または有機材料です。これらの材料の電気伝導率は銅や金などの金属とガラスのような絶縁体の間に位置しており、半導体という名前が付けられています。これらには、4eV未満（約1eV）のエネルギーギャップが存在します。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てい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到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。
半導体の種類
半導体は、電子特性に基づいて二つの基本的なタイプに分類されます：
- 固有半導体：これらは単一の要素（例えば、シリコン、ゲルマニウム）で構成され、意図的な不純物のドーピングがない純粋な半導体です。固有半導体は価電子帯と伝導帯に特定数の電子を有しており、加熱されると電気を導くことができます。いくつかの電子がその結合から解放され、伝導帯の自由電子になる十分なエネルギーを得ます。
- 外因性半導体：これらは意図的に不純物をドーピングして電子特性を変更する不純な半導体です。外因性半導体はさらに二つのタイプに分類されます：
- p型半導体：p型半導体では、ホウ素のような不純物原子が半導体材料に導入されます。これらの不純物は半導体材料よりも価電子が少ないため、価電子帯に「ホール」（電子の不足）が生じます。これらのホールは正の電荷キャリアのように電流を導くことができ、材料にp型の指定を与えます。
- n型半導体：n型半導体では、リンのような不純物原子が半導体材料に導入されます。これらの不純物は半導体材料よりも価電子が多いため、伝導帯に過剰な電子が作られます。これらの余分な電子は負の電荷キャリアのように電流を導くことができ、材料にn型の指定を与えます。
固有半導体の特性
固有半導体は完全に純粋で、重要なドーパント種がないため、純粋な半導体またはi型半導体とも呼ばれます。したがって、特定温度での電荷キャリアの数は、不純物の数ではなく材料の特性によって決定されます。たとえば、20°Cの純ゲルマニウム1cm3サンプルには約4.2×1022個の原子が含まれていますが、2.5×1013個の自由電子と2.5×1013個のホールも含まれています。これらの電荷キャリアは熱励起によって生成されます。固有半導体では、励起された電子の数とホールの数が等しくなります：n = p。
半導体は4eV未満（約1eV）のエネルギーギャップを有しています。バンドギャップは異なる材料によって自然に異なります。例えば、ダイヤモンドは広帯域ギャップ半導体（Egap= 5.47 eV）であり、多くのデバイスでの電子デバイス材料としての高い可能性を持っています。一方、ゲルマニウムは小さなバンドギャップエネルギー（Egap = 0.67 eV）を持ち、検出器を低温で動作させる必要があります。
固有半導体は、非常に良い絶縁体でも非常に良い導体でもないため、それほど有用ではありません。しかし、半導体の重要な特徴の一つは、不純物のドーピングや電場のゲーティングによって導電性を増加させ、制御できることです。
