真性半導体と非真性半導体

現代のエレクトロニクスは、半導体という一つの素材がベースになっていることは特筆に値する。半導体は、導体と絶縁体の中間の導電性を持つ材料である。半導体材料は、1940年代に半導体ダイオードやトランジスタが発明される以前から電子機器に使われていたが、その後、半導体は電子機器に広く使われるようになった。1958年、テキサスインスツルメンツのジャック・キルビーが集積回路を発明し、半導体はかつてないほど電子機器に使われるようになったのだ。

天然半導体は、フリーキャリアの存在によって電気伝導性を持つ。このような半導体、すなわち半導体の性質を自然に発揮する材料を「固有半導体」と呼ぶ。高度な電子部品を開発するために、半導体材料にキャリアの数を増やす材料や元素を加えて、半導体の導電性を高めることが行われている。このような半導体は、非本質的半導体と呼ばれる。

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あらゆる物質の電気伝導性は、熱による攪拌で伝導帯に放出された電子によって引き起こされる。固有半導体の場合、放出される電子の数は金属よりも相対的に少ないが、絶縁体よりは多い。その結果、材料を通過する電流の伝導率が非常に低くなってしまうのだ。材料の温度が上がると、より多くの電子が伝導帯に入るため、半導体の伝導率が上がります。半導体の電荷キャリアには、価電子帯に放出される電子と、正孔軌道に放出される正孔の2種類がある。固有半導体の正孔と電子の数は等しい。正孔と電子の両方が電流の流れに寄与している。電位差をつけると、電子は高い電位へ、正孔は低い電位へ移動する。

半導体として機能する材料はたくさんあり、元素のものもあれば化合物のものもある。シリコンとゲルマニウムは半導体の性質を持つ元素で、ガリウム砒素は化合物である。一般に、IV族元素やIII族、V族元素の化合物、例えばガリウムヒ素、リン化アルミニウム、窒化ガリウムなどは、固有の半導体特性を示すものである。

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半導体の特性は、より多くの電流を流すために、さまざまな元素を加えることで改善することができます。添加することをドーピングといい、添加される物質を不純物という。不純物は材料中のキャリアの数を増やし、導電性を向上させる。不純物は、供給されるキャリアによって、アクセプターとドナーに分類されます。ドナーとは、格子の中に結合していない電子を持つ物質で、アクセプターとは、格子の中に穴をあけたままの物質を指す。IV族半導体は、III族元素のホウ素とアルミニウムがアクセプター、V族元素のリンとヒ素がドナーとなる。II-V族化合物半導体は、セレンとテルルがドナー、ベリリウム、亜鉛、カドミウムがアクセプターとなる。

不純物としてアクセプター原子をいくつか加えると、正孔の数が増え、以前よりも正の電荷キャリアを持つ材料となる。そのため、ホスト不純物をドープした半導体は、正型半導体またはP型半導体と呼ばれる。同様に、電子を過剰に残したまま送り出す不純物をドープした半導体は、負型半導体またはN型半導体と呼ばれます。

半導体は、ダイオードやトランジスタなど様々な部品に使用されています。半導体は、レーザー、太陽電池、光検出器などにも使われている。

• ドープされていない半導体を固有半導体、不純物がドープされた半導体材料を外来半導体と呼びます。

• 真性半導体では、正の電荷キャリア（正孔）と負の電荷キャリアの数が等しいが、不純物の添加によりキャリアの数が変化するため、非真性半導体では等しくならない。

• 固有半導体の導電率は外来半導体の導電率より相対的に低い。