固有シリコンと外部添加シリコンとは何ですか

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本質的なシリコンと外部添加シリコンとは何ですか？

本質的なシリコン

シリコンは重要な半導体元素です。シリコンは第IV族の材料であり、その最外殻には4つの価電子があり、これらは隣接する4つのシリコン原子の価電子との共有結合で保持されています。これらの価電子は電気を通すために利用できません。したがって、0oKでは本質的なシリコンは絶縁体のように振る舞います。温度が上昇すると、熱エネルギーにより一部の価電子が共有結合を断ち切ります。これにより、電子がいた場所に空孔（ホール）が生じます。つまり、0oK以上の任意の温度において、半導体結晶内の一部の価電子が十分なエネルギーを得て価帯から伝導帯にジャンプし、価帯にホールを残します。このエネルギーは室温（300oK）で約1.2 eVであり、これがシリコンのバンドギャップエネルギーに等しいです。

本質的なシリコン結晶では、ホールの数は自由電子の数と同じです。各電子が共有結合を離れるたびに、破れた結合にホールが生じるためです。ある特定の温度では、熱エネルギーにより新たな電子-ホール対が連続的に生成され、同時に同数の対が再結合します。したがって、特定の温度と体積の本質的なシリコン内では、電子-ホール対の数は一定となります。これは平衡状態です。したがって、平衡状態では、自由電子濃度nとホール濃度pは互いに等しく、これが本質的なキャリア濃度(ni)です。つまり、n = p = niです。原子構造は以下の通りです。

0oKでの本質的なシリコン

室温での本質的なシリコン

外部添加シリコン

本質的なシリコンは、制御された量のドーパントを添加することで外部添加シリコンに変えることができます。ドナー原子（第V族元素）を添加するとn型半導体になり、アクセプター原子（第III族元素）を添加するとp型半導体になります。

本質的なシリコン結晶に少量の第V族元素を添加すると、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）などの例があります。これらは5つの価電子を持っています。これらがシリコン原子を置き換えると、4つの価電子が隣接する原子との共有結合を形成し、残りの1つの電子は共有結合に参加せず、親原子に弱く結合しており、容易に自由電子として放出されます。この目的のために必要なエネルギー、つまり第5の電子を放出するためのエネルギーは約0.05 eVです。このような不純物はドナーと呼ばれ、シリコン結晶に自由電子を提供します。電子は負に帯電しているため、このシリコンはn型または負型シリコンと呼ばれます。

n型シリコンではフェルミエネルギー準位が伝導帯に近づきます。ここでは自由電子の数が本質的な電子濃度を超えて増加します。一方、ホールの数は本質的なホール濃度よりも減少します。これは、自由電子濃度が高いことによる再結合の可能性が高いからです。電子は多数キャリアです。

第V族不純物を持つ外部添加シリコン

本質的な半導体結晶に少量の第III族元素を添加すると、アルミニウム（Al）、ボロン（B）、インジウム（In）など3つの価電子を持つ元素がシリコン原子を置き換えます。これらの3つの電子は隣接する原子との共有結合を形成し、穴を作ります。このような不純物原子はアクセプターと呼ばれます。半導体はp型半導体と呼ばれ、穴は正に帯電していると仮定されます。

第III族不純物を持つ外部添加シリコン

p型半導体では、フェルミエネルギー準位が価帯に近づきます。ホールの数が増え、電子の数は本質的なシリコンと比較して減少します。p型半導体では、ホールが多数キャリアです。

シリコンの本質的キャリア濃度

熱励起により電子が価帯から伝導帯にジャンプすると、両バンドで自由キャリアが生成されます。これらは伝導帯の電子と価帯のホールです。これらのキャリアの濃度を本質的キャリア濃度と呼びます。実際には、純粋または本質的なシリコン結晶では、ホール（p）と電子（n）の数は互いに等しく、これらは本質的キャリア濃度niに等しいです。したがって、n = p = ni

これらのキャリアの数はバンドギャップエネルギーに依存します。シリコンの場合、バンドギャップエネルギーは298oKで1.2 eVです。温度が上昇すると、シリコンの本質的キャリア濃度も増加します。シリコンの本質的キャリア濃度は以下の式で与えられます。