Intrinsic Silicon සහ Extrinsic Silicon කුමක්ද?

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කොටස: циклෝපැඩියා

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内在シリコンと外在シリコンとは何ですか？

内在シリコン

シリコンは重要な半導体元素です。シリコンは第IV族の材料です。その最外殻には、隣接する4つのシリコン原子の価電子との共有結合によって保持されている4つの価電子があります。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では内在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壊します。これにより、電子が存在していた場所に空孔（ホール）が形成されます。言い換えれば、0oK以上の任意の温度において、半導体結晶内のいくつか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、価帯に穴を残します。このエネルギーは室温（300oK）で約1.2 eVであり、これはシリコンのバンドギャップエネルギーや等しいです。

内在シリコン結晶では、穴の数は自由電子の数と同じです。それぞれの電子が共有結合を離れるとき、破れた結合に穴が生じます。一定の温度では、熱エネルギーにより新しい電子-穴対が連続的に生成され、同時に同じ数の対が再結合します。したがって、特定の温度と一定の体積の内在シリコンでは、電子-穴対の数は同じままです。これは平衡状態です。つまり、平衡状態では、自由電子濃度nと穴濃度pは互いに等しく、これが内在キャリア濃度(ni)です。つまり、n = p = niです。原子構造は以下の通りです。

0oKでの内在シリコン

室温での内在シリコン

外在シリコン

制御された量のドーパントを添加することで、内在シリコンを外在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型半導体となり、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。

少量の第V族元素を内在シリコン結晶に添加すると考えます。第V族元素の例としては、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）があります。これらは5つの価電子を持っています。それらがSi原子を置き換えると、4つの価電子は隣接する原子と共有結合を形成し、5番目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、簡単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に必要なエネルギーは約0.05 eVです。このような不純物は、シリコン結晶に自由電子を供給するためドナーと呼ばれています。このシリコンは電子が負の電荷を持つ粒子であるため、n型または負のタイプの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レベルは伝導帯に近づきます。ここでは、自由電子の数は内在電子濃度よりも増加します。一方、自由電子濃度が高いことにより再結合の可能性が高くなるため、穴の数は内在穴濃度よりも減少します。電子は多数キャリアです。

五価不純物を含む外在シリコン

少量の第III族元素を内在半導体結晶に添加すると、それらはシリコン原子を置き換え、第III族元素（AI、B、INなど）は3つの価電子を持っています。これらの3つの電子は隣接する原子と共有結合を形成し、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、半導体は穴が正の電荷を持つと仮定されるためp型半導体と呼ばれます。