真性半導体と外因性半導体–エネルギーバンドとドーピングとは何ですか？

半導体は、その名前が示すように、導体と絶縁体の両方の特性を示す一種の材料です。 半導体材料は、伝導のためにそのキャリアを解放するために、特定のレベルの電圧または熱を必要とします。 これらの半導体は、キャリアの数に基づいて「内因性」と「外因性」に分類されます。 真性キャリアは、半導体の最も純粋な形態であり、同数の電子（負の電荷キャリア）と正孔（正の電荷キャリア）です。 最も広く使用されている半導体材料は、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、およびガリウムヒ素（GaAs）です。 これらのタイプの半導体の特性と挙動を調べてみましょう。真性半導体とは何ですか？真性半導体は、ドーピングや不純物が添加されていない化学的に純粋な材料として定義できます。 入手可能な最も一般的に知られている真性または純粋な半導体は、シリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）です。 特定の電圧を印加したときの半導体の動作は、その原子構造に依存します。 シリコンとゲルマニウムの両方の最外殻には、それぞれ1つの電子があります。 互いに安定させるために、近くの原子は価電子の共有に基づいて共有結合を形成します。 シリコンの結晶格子構造におけるこの結合を図XNUMXに示します。ここでは、XNUMXつのSi原子の価電子がペアになって共有結合を形成していることがわかります。 図1.シリコン原子の共有結合すべての共有結合は安定しており、伝導に使用できるキャリアはありません。 ここで、真性半導体は絶縁体または非導体として動作します。 ここで、周囲温度が室温に近づくと、共有結合が壊れ始めます。 したがって、原子価殻からの電子は、伝導に参加するために放出されます。 より多くのキャリアが伝導のために放出されると、半導体は伝導材料として振る舞い始めます。 以下に示すエネルギーバンド図は、価電子帯から伝導帯へのキャリアのこの遷移を説明しています。エネルギーバンド図図2（a）に示すエネルギーバンド図は、伝導帯と価電子帯のXNUMXつのレベルを示しています。 XNUMXつのバンド間のスペースは禁止ギャップと呼ばれます 図2（a）。 エネルギーバンド図図 図2（b）。 半導体の伝導帯および価電子帯電子半導体材料が熱または印加電圧にさらされると、共有結合の一部が切断され、図2（b）に示すように自由電子が生成されます。 これらの自由電子は励起されてエネルギーを獲得し、禁じられたギャップを克服し、価電子帯から伝導帯に入ります。 電子が価電子帯を離れると、価電子帯に正孔が残ります。 真性半導体では、常に同数の電子と正孔が生成されるため、電気的に中性になります。 電子と正孔の両方が真性半導体の電流の伝導に関与します。外因性半導体とは何ですか？外因性半導体は、不純物またはドープされた半導体が追加された材料として定義されます。 ドーピングは、キャリアの数を増やすために意図的に不純物を追加するプロセスです。 使用される不純物元素は、ドーパントと呼ばれます。 外因性導体では電子と正孔の数が多いため、真性半導体よりも高い導電率を示します。 使用されるドーパントに基づいて、外因性半導体はさらに「N型半導体」と「P型半導体」に分類されます。N型半導体：N型半導体には5価の不純物がドープされています。 3価の元素は、その原子価殻にXNUMXつの電子があるために呼ばれます。 XNUMX価の不純物の例は、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）です。 図XNUMXに示すように、ドーパント原子は、その価電子のXNUMXつをXNUMXつの隣接するシリコン原子と共有することによって共有結合を確立します。 XNUMX番目の電子は、ドーパント原子の原子核に緩く結合したままです。 XNUMX番目の電子が価電子帯を離れて伝導帯に入るように解放するために必要なイオン化エネルギーは非常に少なくなります。 XNUMX価の不純物は、格子構造にXNUMXつの余分な電子を与えるため、ドナー不純物と呼ばれます。図3.ドナー不純物を含むN型半導体P型半導体：P型半導体には3価の半導体がドープされています。 4価の不純物は、その原子価殻にXNUMXつの電子を持っています。 三価不純物の例には、ホウ素（B）、ガリウム（G）、インジウム（In）、アルミニウム（Al）が含まれます。 図XNUMXに示すように、ドーパント原子はXNUMXつの隣接するシリコン原子とのみ共有結合を確立し、XNUMX番目のシリコン原子との結合に正孔または空孔が生成されます。 穴は、電子が占有するための正のキャリアまたはスペースとして機能します。 したがって、三価不純物は、電子を容易に受け入れることができる正の空孔または正孔を与えており、したがって、それはアクセプター不純物と呼ばれる。  図4.アクセプター不純物を含むP型半導体固有半導体のキャリア濃度固有キャリア濃度は、伝導帯の単位体積あたりの電子数または価電子帯の単位体積あたりの正孔数として定義されます。 印加電圧により、電子は価電子帯を離れ、その場所に正孔を生成します。 この電子はさらに伝導帯に入り、電流の伝導に関与します。 真性半導体では、伝導帯で生成される電子は価電子帯の正孔の数に等しくなります。 したがって、電子濃度（n）は真性半導体の正孔濃度（p）に等しくなります。真性キャリア濃度は次のように与えられます。n_i= n = pここで、n_i：固有キャリア濃度n：電子キャリア濃度p：正孔-キャリア濃度真性半導体の導電率真性半導体は熱または印加電圧にさらされると、電子は価電子帯から伝導帯に移動し、価電子帯に正孔または空孔を残します。 この場合も、共有結合が切断されると、これらの穴は他の電子で埋められます。 したがって、電子と正孔は反対方向に移動し、真性半導体が伝導を開始します。 多数の共有結合が切断されると導電率が増加し、それによってより多くの電子が正孔として放出されて伝導します。 真性半導体の導電率は、電荷キャリアの移動度と濃度で表されます。真性半導体の導電率の式は、次のように表されます。σ_i= n_ie（μ_e+μ_h）ここで、σ_i：真性半導体の導電率半導体n_i：真性キャリア濃度μ_e：電子の移動度μ_h：正孔の移動度半導体理論MCQの詳細については、このリンクを参照してください。

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