半導体の基本
半導体は、無機または有機材料であり、化学構造、温度、照明、ドーパントの存在に応じてその導電性を制御できます。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、ガラスのような絶縁体の間の電気伝導度を持つことから来ています。これらは4eV未満（約1eV）のエネルギーギャップを持ちます。固体物理学では、このエネルギーギャップまたはバンドギャップは、電子状態が禁止されている価電子帯と伝導帯の間のエネルギー範囲です。導体とは異なり、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、イオン化放射線から）を得る必要があります。半導体の特性は、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップによって決定されます。
窒化ガリウム
窒化ガリウム（GaN）は、近年注目を集めている広帯域ギャップ半導体材料です。GaNは3.4電子ボルト（eV）の広いバンドギャップを持ち、シリコン（1.1 eV）やガリウムヒ素（1.4 eV）などの従来の半導体よりも大きいです。これにより、GaNは高電力および高周波電子デバイスに使用するのに優れた候補となります。GaNの主な利点の一つは、シリコンに比べて最大20倍高い電子移動度を持つことです。これにより、高い電子速度と高速なスイッチング速度を実現し、電力電子デバイス（電源やインバーターなど）に最適です。GaNは高温にも強いため、自動車や航空宇宙アプリケーションなどの高温環境での使用に適しています。さらに、GaNは優れた熱伝導性を持ち、運転中に生成される熱を効果的に散逸させます。GaNのもう一つの重要な用途は、高輝度LEDやレーザーダイオードの開発など、光電子工学の分野です。GaNベースのLEDは高効率であり、一般照明から自動車のヘッドライト、LCDディスプレイのバックライトまで、幅広いアプリケーションがあります。しかし、GaNの主な課題の一つは、シリコンやガリウムヒ素などの他の半導体と比べて比較的高いコストです。それにもかかわらず、GaNの生産コストを削減し、より大規模なアプリケーションでの使用に適したスケーラビリティを高める方法を見つけるために、継続的な研究が行われています。全体として、GaNは、高性能が求められる電力電子工学、光電子工学、その他の分野での潜在的なアプリケーションを持つ有望な半導体材料です。
半導体の種類
半導体は、その電子特性に基づいて、基本的に2つのタイプに分類できます：
– 固有半導体：これらは、シリコン、ゲルマニウムなどの単一元素で作られた純粋な半導体で、不純物で意図的にドープされていません。固有半導体は、価電子帯と伝導帯に特定の数の電子を持ちます。加熱すると、いくつかの電子が十分なエネルギーを得て、結合から解放され、伝導帯の自由電子になります。
– 外来半導体：これらは、その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。外来半導体はさらに2つのタイプに分類できます：
– p型半導体： p型半導体では、半導体材料にホウ素などの不純物原子が導入されます。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「穴」（電子の不在）が生じます。これらの穴は、正の電荷キャリアとして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、リンなどの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、伝導帯に余分な電子が生じます。これらの余分な電子は、負の電荷キャリアとして電流を導くことができ、材料にn型の指定を与えます。
