ドナーとアクセプタ不純物の半導体における特性

ドーピングの定義

ドーピングとは、半導体に不純物を添加してその導電性を変化させる過程です。

ドナー不純物

ドナー不純物は、半導体に添加される五価原子であり、余分な自由電子を供給し、n型半導体を作ります。

n型半導体

n型またはドナー不純物が半導体に添加されると、格子構造の禁帯が狭くなります。ドナー原子は導電帯の直下に新しいエネルギー準位を導入します。これらの準位は、不純物原子が互いに離れており、最小限の相互作用しか持たないため、離散的です。ゲルマニウムでは、エネルギーギャップは0.01 eVで、シリコンでは室温で0.05 eVです。したがって、室温では、ドナー原子からの第五電子が導電帯に入ります。電子数の増加により、ホール数が減少します。

n型半導体における単位体積あたりのホール数は、同じ温度での本質半導体の単位体積あたりのホール数よりもさらに低くなります。これは、余分な電子によるものであり、電子-ホール対の再結合率が純粋または本質半導体よりも高くなるからです。

p型半導体

五価不純物ではなく三価不純物を本質半導体に添加すると、余分な電子ではなく余分なホールが結晶内に生成されます。三価不純物が半導体結晶に添加されると、三価原子は四価半導体原子の一部を置き換えます。三価不純物原子の3つの価電子は、近隣の半導体原子と結合します。そのため、第四の近隣半導体原子の一つの結合に電子が不足し、結晶にホールが生じます。三価不純物は半導体結晶に余分なホールを供給し、これらのホールは電子を受け入れることができるため、受容体不純物と呼ばれます。ホールは正の電荷を持つため、これらの不純物は正タイプまたはp型不純物と呼ばれ、p型不純物を含む半導体はp型半導体と呼ばれます。

三価不純物を半導体に添加すると、価電子帯の直上に離散的なエネルギー準位が生成されます。価電子帯とこの新しいエネルギー準位との小さなギャップにより、外部エネルギーのわずかな量で電子が容易に高いレベルへ移動できます。電子がこの新しいレベルに移動すると、価電子帯に空孔、つまりホールが残ります。

n型不純物を半導体に添加すると、結晶内には余分な電子がありますが、それによってホールが存在しないわけではありません。室温での半導体の本質的な性質により、半導体内には常に電子-ホール対が存在します。n型不純物の添加により、電子が電子-ホール対に追加され、また過剰な電子による再結合によりホール数が減少します。したがって、n型半導体における負の荷電キャリアまたは自由電子の総数は、ホールよりも多くなります。これが、n型半導体において電子が多数キャリアと呼ばれ、ホールが少数キャリアと呼ばれる理由です。同様に、p型半導体においては、ホールが多数キャリアと呼ばれ、電子が少数キャリアと呼ばれます。

受容体不純物

受容体不純物は、半導体に添加される三価原子であり、余分なホールを作り出し、p型半導体を形成します。