真性半導体と不純物半導体

純粋な半導体は熱的に生成された電子-正孔対を介してのみ伝導するが、意図的にドナーまたはアクセプター不純物を添加することで、制御可能な導電性を持つn型またはp型材料に変換される。

Definition

真性半導体とは、バンドギャップを横切る熱励起によって同数の電子と正孔が生成される純粋な結晶であり、不純物半導体とは、ドナーまたはアクセプター不純物がドープされ、一方のキャリアタイプが過剰になり、n型またはp型となるものである。

Scope

本トピックでは、電子と正孔の濃度が等しく、バンドギャップを横切る熱励起によって決定される真性半導体と、ドナーまたはアクセプター不純物が多数キャリアを供給する不純物（ドープされた）半導体を区別する。浅いドナー準位とアクセプター準位、イオン化、凍結（freeze-out）、不純物（extrinsic）、真性（intrinsic）の温度領域、およびそれに伴うキャリア濃度の温度依存性について解説する。これは、続くキャリア統計と接合のトピックの基礎となる。

Core questions

• 純粋な半導体ではどのようにキャリアが生成されるのか、また真性キャリア濃度が温度とともに急激に上昇するのはなぜか？
• ドナーおよびアクセプター不純物はどのようにn型およびp型材料を生成するのか？
• ドーパントのエネルギー準位が浅いのはなぜか、またイオン化は温度によってどのように変化するのか？
• キャリア濃度の凍結（freeze-out）、不純物（extrinsic）、真性（intrinsic）領域とは何か？

Key concepts

• 真性キャリア濃度
• ドナーおよびアクセプター不純物
• n型およびp型材料
• 浅い不純物準位とイオン化
• 凍結（freeze-out）、不純物（extrinsic）、真性（intrinsic）領域

Clinical relevance

不純物半導体を真性半導体と区別する制御されたドーピングは、すべての半導体デバイスの基礎である。ドーパントの種類と濃度を選択することで、ダイオード、トランジスタ、集積回路を形成する領域のキャリア密度と導電性が設定される。

History

半導体伝導における不純物の役割は1930年代から1940年代にかけて解明され、1940年代後半から1950年代初頭にかけてベル研究所で制御されたドーピングと単結晶成長が開発されたことにより、再現性のあるn型およびp型材料が可能となり、トランジスタと半導体産業の発展を促した。

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

ドーパントがドナーまたはアクセプターとなるのはなぜか？

ドナーは、置換するホスト原子よりも価電子が1つ多く、容易に伝導帯に電子を供与する（n型）。アクセプターは価電子が1つ少なく、価電子帯から電子を捕獲して正孔を残す（p型）。

真性半導体は加熱すると導電性が向上するのはなぜか？

温度を上げると、より多くの電子がバンドギャップを越えるのに十分なエネルギーを得て、電流を運ぶ利用可能な電子-正孔対の数が指数関数的に増加する。これは、加熱によって導電性が低下する金属とは逆の現象である。