半導体について
半導体について。
半導体はエネルギーギャップが小さい絶縁体。
低温では絶縁体であるが、不純物を添加することで電気伝導を示すようになる。
真性キャリアについて。
価電子帯から伝導帯へ上がることで、価電子帯には正孔が、伝導帯では自由電子が存在する事になり、正・負の異なった符号のキャリアが同時に存在する。これを両極性伝導という。
添加物、（ドーパント）、を含まない半導体を真性半導体と呼び、そのキャリアを真性キャリアと呼ぶ。
キャリアの密度について。
電子密度は伝導帯中にどれくらいの電子を収容できるかの状態密度と分布関数の積を、伝導帯の全領域について積分すれば得られる。
価電子帯に正孔が存在する確率は、価電子帯に電子が存在しない確率に等しい。
真性半導体において、電子密度と正孔密度は等しい。
真性キャリア密度はエネルギーギャップと温度に依存する。
フェルミ準位について。
フェルミ・ディラック分布は、横軸電子の数、縦軸エネルギーの大きさをとって描いたグラフで、高エネルギーの電子ほど電子の数は少なく、エネルギーが小さくなるにつれて電子の数が増す。温度が低くなれば分布曲線のカーブはゆるくなる。
絶対零度において分布曲線はフェルミ準位に平行になる。
フェルミ準位は電子の存在確率が1/2になる準位ということもできる。
外因性半導体について。
ドーパントと呼ばれる添加物を加えることで、人為的に、半導体の抵抗率とキャリアの種類を変えて様々な半導体が作られる、このような半導体を外因性半導体と呼ぶ。
4価の元素であるシリコンを５価の元素であるリンで置換すると一つ価電子があまり、これによって伝導電子の数が増える。このように真性半導体中に伝導電子を生じさせるドーパントをドナーと呼ぶ。
同様にシリコンを３価の元素であるホウ素で置換すると正孔を生じさせるドーパントをアクセプターと呼ぶ。
外因性半導体の低効率はドーパント濃度に比例する。しかし、電子と正孔では電子のほうが抵抗が小さい。
ドナーについて。
ドナーは陽イオン化し、あまりの電子をクーロン力でひきつけている。あまりの電子は伝導帯の底から少ないエネルギー差の準位にあり、これをドナー準位と呼ぶ。ドナー準位から少しジャンプして伝導帯に上がる。
アクセプターについて。
アクセプターは価電子帯から一個電子を引きぬき、正孔を生み出す。価電子帯からの電子を受け入れられるエネルギー準位は価電子帯の上端から少し上にあり、これをアクセプター準位と呼ぶ。
ｎ型半導体について。
伝導電子に満ちた外因性半導体をｎ型半導体と呼ぶ。
ｎ型半導体には多数の伝導電子と少数の正孔が存在している。
イオン化したドナー電子は正の電荷をもつが移動できないので正の固定電荷と呼ぶ。
絶対零度から低温の範囲では、ドナーの一部から電子が伝導帯に励起する。この範囲をドーパント領域と呼ぶ。
もう少し温度が高くなると、ドナーの全てから電子が励起するが、価電子帯からは励起しない。この範囲を飽和領域とよび、伝導電子密度はドナー密度に等しく一定である。
高温領域では価電子帯から励起した伝導電子の割合が多くなり、真性半導体と同じ振る舞いをする。この範囲を真性領域と呼ぶ。
ｎ型半導体のフェルミ準位は真性半導体より伝導帯側に移動する。
縮退半導体について。
ｎ型半導体においてドナー密度の増加に伴いフェルミ準位が伝導帯側に近づいていき、ドナー密度が極めて高いとき伝導帯の中にフェルミ準位が位置する場合がある。このような現象を縮退という。
ｐ型半導体では高濃度にドーピングした場合、フェルミ準位は価電子帯に位置する場合があり、縮退半導体となる。
過剰キャリアについて。
半導体に光や電子を照射することで、価電子帯の電子が光のエネルギーを吸収して伝導帯に励起する（結果、同数の正孔も生じる）。このような過程で生じた電子と正孔を過剰キャリアと呼ぶ。過剰キャリアは少数キャリアに大きく影響を与える。
直接遷移と間接遷移
半導体の物質の種類によって、伝導体の電子が光エネルギーを吸収して励起する様子は二つに分けられる。
一方は光のエネルギーをそのまま吸収して励起するが、他方は光のエネルギーが格子振動に使われてしまう。前者を直接遷移、後者を間接遷移と呼ぶ。格子振動に関わるエネルギー量子をフォノンと呼ぶ。間接遷移型半導体は光を吸収しにくい。
ｐｎ接合について。
ｐ型半導体とｎ型半導体との接合のこと。
まず拡散によって接合面付近のそれぞれの多数キャリアが移動する。その後接合面付近では固定電荷が残され電位障壁となる。流れ込んだ多数キャリアは再結合によって消滅する。キャリアが存在しない領域を空乏層と呼ぶ。電荷二重層はｎ型領域からｐ型領域へ電界を発生させ、それぞれの少数キャリアが他方へ移動しドリフト電流が生じる。
拡散とドリフトによってキャリアが移動した後も多数キャリアはそれぞれ残ったままである。
ｐｎ接合におけるエネルギー帯図について。
ｐｎ接合すると、互いのフェルミ準位が一致するように、キャリアの拡散が起こり、ｎ型領域のバンドは下に、ｐ型領域のバンドは上に移動する。拡散電位あるいは電位障壁が形成され、ｎ型フェルミ準位からｐ型フェルミ準位を引いた値になる。
整流作用について。
ｐｎ接合した構造の両端に電圧をかけると、多数キャリアは移動する。この際、電位障壁を越えて電流が流れる順方向と、電位障壁とは逆側に移動し電流が流れない逆方向の二つに分けられる。このようにｐｎ接合は一方向のみに電流を生じさせる特性を持ち、これを整流作用という。
仕事関数と電子親和力について。
電子を真空中に取り出すのに必要なエネルギーのことを仕事関数といい、金属において真空準位とフェルミ準位の差である。しかし、半導体ではフェルミ準位に電子は存在しないため、金属の仕事関数に相当するのは真空準位と伝導帯の底のエネルギー差、電子親和力である。
ｎ型半導体のショットキー接触について。
金属の仕事関数が半導体の電子親和力より大きい場合、半導体のフェルミ準位は金属より高い。つまり金属の伝導電子よりも半導体の伝導電子のほうが高いエネルギーを持っている。よって半導体から金属へ伝導電子が移動し最終的に電子障壁を作る。半導体のフェルミ準位は金属のフェルミ準位と一致するまで下がり、電位障壁を作る。金属側から見た障壁をショットキー障壁という。
この場合、整流作用を示すが、かけた電圧によって金属の障壁の高さは変わらない。
ｎ型半導体のオーム接触について。
逆に仕事関数が半導体の電子親和力より小さい場合、半導体のフェルミ準位は金属のフェルミ準位より低い。この場合、金属から半導体へ伝導電子が流れこみ、半導体のフェルミ準位が金属と一致するまで上がる。この場合、半導体表面に空乏層は形成されず、外部電圧を印加すると簡単に伝導電子が移動でき整流作用は起こらない。
ｐ型半導体の場合、電子親和力とエネルギーギャップの和が仕事関数より大きいとショットキー接触、小さいとオーム接触になる。
