半導体とは
半導体は、無機または有機の材料であり、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。これらの材料が半導体と呼ばれるのは、電気伝導性が金属（例えば、銅、金など）と絶縁体（例えば、ガラス）の間にあるためです。半導体には、4eV未満（約1eV）のエネルギーギャップがあります。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に存在する電子状態が禁止されるエネルギー範囲です。導体と異なり、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まります。
p型半導体
電子受容体原子でドープされた外来半導体をp型半導体と呼びます。これは、結晶内のほとんどの電荷担体が電子ホール（正の電荷担体）であるためです。純粋な半導体シリコンは四価元素であり、通常の結晶構造は4つの共有結合を持つ4つの価電子から成ります。シリコンでは、最も一般的なドーパントはグループIIIおよびグループVの元素です。グループIIIの元素（三価）は3つの価電子を含むため、シリコンをドープするときに受容体として機能します。受容体原子が結晶内の四価のシリコン原子を置き換えると、空席状態（電子ホール）が生じます。電子ホール（しばしば単にホールと呼ばれます）は、原子または原子格子内で存在できる位置に電子が欠けている状態です。これは、半導体材料内で電流を生じさせる2つの電荷担体のうちの1つです。これらの正の電荷ホールは、電子がその位置を離れると、半導体材料の原子から原子へと移動することができます。ホウ素、アルミニウム、ガリウムなどの三価不純物を本質半導体に添加すると、構造内にこれらの正の電子ホールが生じます。例えば、ホウ素（グループIII）でドープされたシリコン結晶はp型半導体を作り出し、リン（グループV）でドープされた結晶はn型半導体を生じます。受容体サイトの数が電子ホールの数を完全に支配します。したがって、ホールの総数はドナーサイトの数にほぼ等しいです、p ≈ NA。この半導体材料の電荷中性も保たれます。結果として、電子ホールの数は増加する一方で、伝導電子の数は減少します。各バンド内のキャリア濃度の不均衡は、電子とホールの異なる絶対数によって表されます。電子ホールはp型材料の主要キャリアであり、電子は少数キャリアです。
半導体の主要な性質
以下は、3つの本質半導体と2つのp型およびn型半導体、および4つの主要な特性を示す表です：
半導体の種類 バンドギャップ(eV) 電子移動度(cm2/Vs) ホール移動度(cm2/Vs) 熱伝導率(W/mK)
シリコン (Si) 1.12 1500 450 150
ゲルマニウム (Ge) 0.67 3900 1900 60
ガリウムアルセナイド (GaAs) 1.43 8500 400 46
ホウ素ドープシリコン (p-Si) 1.12 1500 180 150
リンドープシリコン (n-Si) 1.12 1500 450 150
アルミニウムドープガリウムアルセナイド (p-GaAs) 1.43 8500 200 46
シリコンドープガリウムアルセナイド (n-GaAs) 1.43 8500 800 46
この表から、半導体の電子とホールの移動度、バンドギャップ、および熱伝導率がそれぞれの半導体の性質に大きく影響することがわかります。
