半導体物理学とは何か

半導体物理学とは何か

半導体物理学の定義

半導体物理学は、導体と絶縁体の中間の電気伝導性を持つ材料の研究であり、主にシリコンやゲルマニウムなどの元素を対象としています。

半導体の特性

半導体は中程度の抵抗率を持ち、温度係数が負であるため、温度が上昇すると抵抗が減少します。

共有結合

半導体原子の価電子は、半導体結晶内の原子間の結合において重要な役割を果たします。原子間の結合は、各原子が最外殻に8つの電子を持つ傾向があるため発生します。

各半導体原子には4つの価電子があり、近隣の原子から4つの電子を共有することで、最外殻に8つの電子を満たすことができます。この電子の共有により共有結合が形成されます。

各半導体原子は、結晶内の4つの近隣原子と4つの共有結合を作ります。つまり、各近隣の半導体原子と1つの共有結合が作られます。下の図は、ゲルマニウム結晶における共有結合を示しています。

ゲルマニウム結晶では、各原子の最後の軌道には8つの電子があります。しかし、単独のゲルマニウム原子では、32個の電子があります。第1軌道には2個の電子、第2軌道には8個の電子、第3軌道には18個の電子があり、残りの4個の電子は第4または最外殻にあります。

しかし、ゲルマニウム結晶では、各原子は4つの近隣原子から4つの価電子を共有し、最外殻に8つの電子を満たします。このようにして、結晶内の各原子は最外殻に8つの電子を持つことになります。

共有結合の形成により、各価電子は原子に関連付けられ、理想的な半導体結晶には自由電子はありません。これらの結合により、原子は秩序立てて配置され、半導体の結晶構造が形成されます。

エネルギー帯理論

半導体は、価電子帯と導電帯の間に小さなエネルギーギャップがあり、エネルギーが加えられると電子が移動し、電流を導きます。

半導体の種類

• 本質半導体

• 非本質半導体

• N型およびP型半導体