N型半導体とは何か

N型半導体とは何か

N型半導体の定義

N型半導体は、五価の不純物をドープして自由電子を増やし、その結果導電性が高まる半導体の一種です。

N型半導体を理解する前に、基本的な原子科学について注目しましょう。原子は最外殻に8つの電子を持つことを目指します。これらは価電子と呼ばれます。すべての原子がこれを達成できるわけではありませんが、安定な構造を目指しています。

原子の最外殻にある電子は価電子と呼ばれます。もし最外殻に8つの電子がない場合、不足する電子数だけ空きがあります。これらの空きは常に電子を受け入れて最外殻に8つの電子を満たす準備ができています。

最も一般的に使用される半導体はシリコンとゲルマニウムです。シリコンは14個の電子を持ち、2, 8, 4という配置になっています。一方、ゲルマニウムは32個の電子を持ち、2, 8, 18, 4という配置になっています。両方の半導体は最外殻に4つの電子があり、4つ以上の電子の空きがあります。

シリコンまたはゲルマニウムの4つの価電子は隣接する原子との共有結合を形成し、空きを埋めます。理想的には、半導体結晶内のすべての価電子は共有結合に関与しており、結晶内には自由電子はありません。

しかし、実際にはそうではありません。絶対零度では結晶内に自由電子はありませんが、温度が絶対零度から室温まで上昇すると、共有結合に含まれる価電子が熱励起され、結合から抜け出し、結晶内に多くの自由電子が生成されます。これらの自由電子が、絶対零度より高い温度での半導体材料の導電性を引き起こします。

絶対零度より高い任意の温度で半導体の導電性を高める方法があります。この方法はドーピングと呼ばれ、純粋または本質的な半導体にアンチモン、ヒ素、リンなどの五価の不純物をドープします。これらの不純物原子は半導体結晶内の一部の半導体原子を置き換え、その位置を占めます。不純物原子は最外殻に5つの価電子を持ち、そのうち4つが隣接する半導体原子との共有結合を形成します。

不純物原子の1つの価電子は共有結合に参加する機会がなく、親原子との結合が緩くなります。室温では、これらの緩く結合している第5の価電子は熱励起によりその位置から抜け出すことができます。

この現象により、相当数の自由電子が存在しますが、室温での熱励起による共有結合の破壊もあります。自由電子は、半導体間の共有結合および半導体と不純物間の共有結合の破壊によって生成された自由電子に加えて、結晶内の全自由電子数を決定します。

ただし、半導体間の共有結合が破壊されるたびに自由電子が生成されると、破れた結合に空きが生じます。これらの空きは「穴」と呼ばれます。各穴は1つの電子が不足することによって生成されるため、負の電子の正の相当物として考えられます。ここでは電子が主な移動荷電担体です。N型半導体には自由電子と穴の両方が存在します。

しかし、穴の数は電子の数よりもかなり少ないです。なぜなら、穴は半導体間の共有結合の破壊によってのみ生成されるのに対し、自由電子は不純物原子の緩く結合した第5の価電子と半導体間の共有結合の破壊の両方によって生成されるからです。

したがって、N型半導体では自由電子の数は穴の数よりもはるかに多いです。これが理由で、自由電子は多数キャリアと呼ばれ、穴は少数キャリアと呼ばれます。負の電荷を持つ電子が主にこの半導体を通る電荷伝送に関与するため、これは負型またはN型半導体と呼ばれます。結晶内には多くの自由電子がありますが、全体として電気的に中性であり、プロトンの総数と電子の総数は等しいからです。