半導体の種類

半導体として代表的な純粋なシリコンやゲルマニウムの純粋な単結晶は真性半導体と呼ばれ、これにわずかの不純物を加え、電気を通しやすくしたものが不純物半導体と呼ばれます。不純物の種類により、n型半導体とp型半導体に分かれます。

不純物を加える製造プロセスは、イオン注入にあたります。

真性半導体

真性半導体は、半導体材料の中でも特に純度が高く、不純物が極めて少ない半導体を指します。

例として、純粋なシリコン（Si）の単結晶は、Si原子の最外殻電子が4個であるので4価の共有結合により、安定したダイヤモンド構造をしています。

電気的特性が非常に安定しているので、温度が低い状態であれば規定の電圧をかけても電流が流れづらいです。しかし、温度が上昇すると、電気を通しやすくなるという性質を持っています。これは熱エネルギーによって、結束していた電子が放出される現象によるものです。

これらの特徴から、シリコンは半導体デバイスの基本的な素材として使用されます。シリコンウェーハに不純物を添加することによってn型半導体やp型半導体に特性を変化させます。

n型半導体

n型半導体は、真性半導体に5価の元素を添加したものであり、この元素にはリン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）があります。

シリコンの単結晶に少量のリンを添加することで、半導体結晶内の4価の原子と共有結合し、価電子が1個余ることになり、これが自由電子となります。自由電子とは、物質内で特定の原子間の結合に束縛されず自由に動き回れる電子のことです。

このような状態の半導体に電圧を与えると、自由電子は活発に移動し始め、その結果電流が流れることになります。

p型半導体

p型半導体は、真性半導体に3価の元素を添加したものであり、この元素にはホウ素(B)やインジウム(In)があります。

シリコンの単結晶に少量のホウ素を添加すると、シリコンとホウ素の結合の１か所で電子が不足となり、電子の欠落した穴ができます。この穴を正孔(ホール)とよびます。

このような状態の半導体に電圧を与えると、近くの電子が正孔へ移動することで電流が流れます。正孔が埋まり共有結合を形成すると同時に、電子の抜け穴として新たな正孔が生成します。電子が正孔を埋め続けることで、次々に正孔が－極側へ移動していくように見えます。

pn接合

p型半導体とn型半導体を接合することをpn接合と呼びます。

pn接合では、接合部においてn型半導体の自由電子がp型半導体の正孔と再結合することにより、接合部近くで電子と正孔が消滅します。これにより、接合部の近くには電子も正孔も存在しない領域が生じます。これを空乏層と呼びます。空乏層は、電子がn型側からp型側、または正孔がp型側からn型側へ移動するのを阻害する役割を果たします。

pn接合は、p型側に正電圧を印加すると電流を流しやすく（順方向バイアス）、n型側に正電圧を印加すると流れにくくする（逆方向バイアス）整流作用を持ちます。これは、順方向バイアス時には空乏層が狭くなり電子と正孔が移動しやすくなるため、逆方向バイアス時には空乏層が広がり電子と正孔の移動が阻害されるためです。