何が本質半導体か

イントラシック半導体とは何か？

イントラシック半導体の定義

半導体は、導体と絶縁体の中間にある導電性を持つ物質です。化学的に純粋で、つまり不純物が含まれていない半導体をイントラシック半導体または未ドープ半導体またはi型半導体と呼びます。最も一般的なイントラシック半導体は、周期表の第IV族に属するシリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）です。SiとGeの原子番号はそれぞれ14と32であり、その電子配置はそれぞれ1s2 2s2 2p6 3s2 3p2および1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2となります。

SiとGeはどちらも最外殻または価電子シェルに4つの電子を持っています。これらの価電子が半導体の導電性を決定しています。

図1に示すように、シリコン（ゲルマニウムでも同じ）の結晶格子は二次元では次のようになっています。ここでは、各Si原子の価電子が隣接するSi原子の価電子と結合して共価結合を形成していることがわかります。

結合後、イントラシック半導体には自由な荷電キャリア、つまり価電子が不足しています。0Kでは、価電子帯は満たされ、導電帯は空です。価電子が禁止エネルギー帯域を越えるのに十分なエネルギーを持っていないため、イントラシック半導体は0Kでは絶縁体として作用します。

しかし、室温では熱エネルギーにより一部の共価結合が壊れ、図3aに示すように自由電子が生成されます。これらの電子は励起され、エネルギー障壁（図2b）を克服して価電子帯から導電帯へ移動します。この過程で、各電子は価電子帯に穴を残します。このように生成された電子と穴はイントラシック荷電キャリアと呼ばれ、イントラシック半導体材料の導電性を示します。

イントラシック半導体は室温で導電することができますが、少数の荷電キャリアのため導電性は低いです。温度が上昇すると、より多くの共価結合が壊れ、より多くの自由電子が生成されます。これらの電子は価電子帯から導電帯へ移動し、導電性が増加します。イントラシック半導体では、電子（ni）の数は常に穴（pi）の数と等しいです。

このようなイントラシック半導体に電場をかけると、電子-穴対はその影響で漂流させることができます。この場合、電子は電場の方向とは逆方向に移動し、穴は電場の方向に移動します（図3b）。これは、ある原子の電子が左側に移動し、その位置に穴を残すと、隣接する原子の電子がその穴と再結合することでその位置を占めるためです。ただし、これにより新たに穴が生じます。これは半導体材料における穴の動き（この場合は右側に）と見なすことができます。これら二つの動きは方向が反対ですが、結果として半導体全体の電流流れを生み出します。

数学的には、イントラシック半導体の荷電キャリア密度は以下の式で与えられます。

ここで、

Nc は導電帯の有効状態密度です。

Nv は価電子帯の有効状態密度です。

k はボルツマン定数です。

T は温度です。

EF はフェルミエネルギーです。

Ev は価電子帯のレベルを示します。

Ec は導電帯のレベルを示します。

h はプランク定数です。

mh は穴の有効質量です。

me は電子の有効質量です。