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外因性半導体
無機固体化学
の単元です。
小単元
概要
☆我々の使っている半導体製品(Siが主体)は、多少温度が変化してもちゃんと働く。真性半導体のSiは、
室温付近では導電率が低すぎる。そのため、導電率を自由に変えるための工夫がなされている。
7-4-1 固体Siの中のSiのごく一部を15族元素（Pなど）ですりかえる
PはSiよりも電子を1個余分に持っている。Si（白丸）結晶の中に
P（横線の丸）が混じりこめば、結合に関与しない電子（斜線の小さな
丸）が1個できてしまう（女性4人と男性5人がコンパしたら、
孤独な男性が一人できる）。結合にあずからない電子は、少しのエネル
ギーをもらっただけで、結晶中を動き回れる（いじけてどこかにいく）。
このような物質のエネルギーバンドは右下のようになり、禁止帯の中の
伝導帯に近いところに、余分な電子のための「準位」ができる（この電子
は結合にあずかれないため、他の4個よりも高いエネルギー状態にある。
その分、伝導帯に近いところにいる）。
余分な電子は、少しのエネルギーで伝導帯に飛び移り、結晶中を移動。
このような物質では、主として「伝導電子」が電気を運ぶ。伝導電子の電荷は負(negative)なので、
これを「n型半導体」という。Pによってもたらされる電子の準位を「ドナー準位」という。
少量のPを混ぜるだけで、Siの電気的性質が大きく変化する。そのような目的で加えられる元素（こ
こではP）をドーパントといい、その操作をドーピング（ドープする）という。
7-4-2 固体Siの中のSiのごく一部を13族元素（Alなど）ですりかえる
AlはSiよりも電子が1個少ない。すると、結合を4個完成することが
できない場所（×）が生じる。ただし、ここには外から電子が入って
来ることはできる（少し居心地は良くないが）。（女性4人、男性3人
でコンパをすると、空席ができて、隣のテーブルから見知らぬ男が
入る余地ができる）。
このような物質のエネルギーバンドは右下のようになり、電子が
入れる空席が価電子帯に近いところにできる（「アクセプター準位」
という）。アクセプター準位には、価電子帯の電子が少しのエネルギー
で入りこめるようになり、正孔ができる（隣の男が入りこめば、その
人間がいた席は空席になる）。
このような物質では主として正孔（電荷が正(positive)）が電子を運ぶ
のでp型半導体という。この場合のAlも、ドーパントである。
ドーパントの濃度が高くなれば、それだけ電荷担体も増えやすくなる。ドーパント濃度で導電率を任意に変えられる。ドープした半導体を、「外因性半導体」と呼ぶ。