シリコンのエネルギーバンドとは何か

シリコンのエネルギーバンドとは何ですか？

シリコンの定義

シリコンは、導体と絶縁体の中間的な特性を持つ半導体であり、電子機器にとって重要です。

シリコンは、導体よりも自由電子が少なく、絶縁体よりも多い半導体として定義されます。この特異な特性により、シリコンは電子機器で広く使用されています。シリコンには2種類のエネルギーバンドがあります：伝導帯と価電子帯。価電子帯は価電子のエネルギー準位によって形成されます。絶対零度（0K）では、価電子帯は電子で満たされ、電流は流れません。

伝導帯は、固体全体を移動できる自由電子が存在する高いエネルギー準位のバンドです。これらの自由電子が電流の流れを担います。伝導帯と価電子帯の間のエネルギー差は禁制帯と呼ばれ、これが材料が金属か絶縁体か半導体であるかを決定します。

禁制帯の大きさが固体が金属か絶縁体か半導体であるかを決定します。金属には禁制帯がなく、絶縁体には大きな禁制帯があり、半導体には適度な禁制帯があります。シリコンの禁制帯は300Kで1.2eVです。

シリコン結晶では、共有結合が原子をつなぎ、シリコンは電気的に中性となります。電子が共有結合から離れるとき、穴が残ります。温度が上がると、より多くの電子が伝導帯に飛び込み、価電子帯に穴が増えていきます。

シリコンのエネルギーバンド図

シリコンのエネルギーバンド図は電子のエネルギー準位を示しています。純粋なシリコンでは、フェルミレベルはエネルギーギャップの中央にあります。ドナー原子を添加するとn型となり、フェルミレベルは伝導帯に近づきます。アクセプタ原子を添加するとp型となり、フェルミレベルは価電子帯に近づきます。

純粋なシリコンのエネルギーバンド図

摂動されたシリコンのエネルギーバンド図