導入
半導体とは、絶縁体の電気的特性を持ちながらも、電子が電流に寄与する確率が小さいながらも十分に高い物質です。つまり、半導体の電気伝導度は厳密に言えば金属と絶縁体の中間となります。
半導体の電気的挙動は通常、エネルギーバンド理論を使用してモデル化されます。これによると、半導体材料は価電子帯の電子が伝導帯に容易に結合できるほど十分に小さいバンドギャップを持っています。その端子間に電位が印加されると、そのような電子の移動と、電子が価電子帯に残す「正孔」の移動の両方によって、微弱な電流が発生します。
半導体の電気伝導度は、材料に少量の不純物を導入して電子の過剰または不足を生成するドーピングによって制御できます。異なるドープの半導体を接触させて接合を形成することで、アセンブリを流れる電流の方向と量を制御できます。この特性は、ダイオード、トランジスタなどの現代の電子部品の機能の基礎です。
シリコンは、その優れた特性と天然に豊富に存在するため、最も商業的に使用されている半導体材料です。ゲルマニウム、ガリウムヒ素、炭化ケイ素など、他にも数十の半導体が使用されています。
歴史的
- 1833年：マイケル・ファラデーは、温度が上昇すると、従来の金属とは異なり、特定の金属の導電力に気づきました。
- 1833年: 光起電力効果。 A.ベクレルは、導体と電解質の間の接触点を照らすことによって電位差に注目します。
- 1878年:ホール効果。 H. Hall は、電流と磁場に垂直な方向の銅の電位差を発見しました。
- 1931年: 半導体の現代理論。 KG Wilson は、半導体を低バンドギャップ絶縁体と説明しています。
- 1948: J. バーディーン、WH ブラッテン、W. ショックレーがトランジスタ効果を発見。
- 1954: 最初のシリコン トランジスタの製造。
電気的特性の変更
真性半導体
半導体は純粋なとき、真性であると言われます。半導体には不純物が含まれておらず、その電気的挙動は材料の構造のみに依存します。この動作は完全な半導体、つまり構造欠陥や化学的不純物のない半導体に相当します。実際の半導体は完全に真性であることはありませんが、純粋な単結晶シリコンのように完全に真性である場合もあります。
真性半導体では、電荷キャリアは結晶欠陥と熱励起によってのみ生成されます。伝導帯の電子の数は価電子帯の正孔の数に等しい。
これらの半導体は、高温に加熱しない限り、電流を流さない、またはほとんど電流を流さない。
ドーピング
一般的な
禁制帯の形成は結晶構造の規則性によるもので、これが乱れると禁制帯内にアクセス可能な状態が生成され、ギャップがより「透過しやすく」なる傾向があります。ドーピングは、電気的特性を制御するために、真性半導体内部に正しく選択された原子 (「不純物」と呼ばれる) を注入することで構成されます。
ドーピング技術により、半導体材料内のキャリア密度が増加します。電子密度が増加すると、それは N 型ドーピングとなり、このようにドーピングされた材料は外部半導体と呼ばれます。
Nドーピング
N 型ドーピングには、真性半導体内の電子密度の増加が含まれます。これを行うために、半導体内に一定数の電子豊富な原子を含めます。
たとえば、シリコン (Si) の場合、Si 原子は 4 つの価電子を持ち、各価電子は共有結合を介して隣接する Si原子と結合しています。シリコンに N をドープするには、周期表の V 列 (VA) にある、リン(P)、ヒ素(As)、またはアンチモン(Sb) など、5 つの価電子を持つ原子を含めます。
結晶格子に組み込まれたこの原子は、4 つの共有結合と 1 つの自由電子を持ちます。この 5 番目の電子は結合電子ではなく、原子との結合が弱く、伝導帯に向かって容易に励起されます。常温では、これらの電子はほとんどすべて存在します。このタイプの材料では、これらの電子の励起によって正孔が形成されないため、電子の数が正孔の数をはるかに上回ります。電子は多数キャリアであり、正孔は少数キャリアです。また、5 つの電子を持つ原子には「供与」する電子が 1 つあるため、ドナー原子と呼ばれます。
Pドーピング
P 型ドーピングでは、真性半導体の正孔密度を増加させます。これを行うには、過剰な正孔を生成するために、半導体内に一定数の電子が不足した原子を含めます。シリコンの例では、三価の原子 (周期表の III 列)、一般的にはホウ素原子が含まれます。この原子は価電子を 3 つしか持たず、隣接する 4 つの原子と 3 つの共有結合しか形成できないため、構造内に穴が生じます。この穴は、隣接するシリコン原子から与えられる電子によって埋めることができ、その結果、穴が移動します。ドーピングが十分な場合、正孔の数は電子の数をはるかに上回ります。この場合、正孔は多数キャリア、電子は少数キャリアとなります。
PN接合
PN 接合は、 N ドープ半導体と P ドープ半導体を接触させることによって作成され、バンドをシフトすることでフェルミ準位が均一になります。 P 領域側に正の電圧を印加すると、正の多数キャリア (正孔) が接合部に向かって押し出されます。同時に、N 側の負の多数キャリア (電子) が接合に向かって引き寄せられます。接合部に到着すると、キャリアは可視光子(LED) を放出して再結合する (電子がホールに落ちる) か、またはこれらのキャリアが反対側の電極に到達するまで他の半導体を通過し続けます。つまり、電流が流れ、その強度が変化します。電圧とともに指数関数的に変化します。電位差が逆転すると、両側の多数キャリアが接合から遠ざかり、そのレベルでの電流の流れがブロックされます。この非対称の動作は、特に交流を整流するために使用されます。
PN 接合は、一方向にのみ電流を流すダイオードと呼ばれる電子部品の基礎です。同様に、第３の領域をドープして、バイポーラトランジスタを形成するＮＰＮまたはＰＮＰ二重接合を形成することができる。この場合、同じ種類の 2 つの半導体はエミッタとコレクタと呼ばれます。エミッタとコレクタの間にある半導体はベースと呼ばれ、その厚さはマイクロメートル程度です。エミッタ – ベース接合が順バイアスされると、ベース – コレクタ接合がブロックされている間、エミッタ – ベース接合は導通します。ただし、ベースは十分に薄いため、エミッタ（高濃度ドープ）から注入された多数の多数キャリアが再結合する前にベースを通過できます。したがって、それらはコレクタに存在し、ベース電圧によって制御される電流を生成します。
直接分極のPN接合。 | 逆分極の PN 接合。 |