不純物半導体

不純物半導体（ふじゅんぶつはんどうたい）または外因性半導体（がいいんせいはんどうたい）とは、純粋な真性半導体に不純物（ドーパント）を微量添加（ドーピング）した半導体のこと。ドーピングする元素により、キャリアがホール（正孔）のP型半導体と、キャリアが電子のN型半導体に分類される。

N型とP型のどちらになるかは、不純物元素の原子価、その不純物によって置換される半導体の原子価によって決まる。
例えば原子価が4であるケイ素にドーピングする場合、原子価が5であるヒ素やリンをドーピングした場合がN型半導体、原子価が3であるホウ素やアルミニウムをドーピングした場合がP型半導体になる。

性質

電荷中性の条件 
伝導帯の電子濃度を 、価電子帯の正孔濃度を 、イオン化したドナー濃度を 、イオン化したアクセプター濃度を  とすると、以下の電荷中性の条件が成り立つ。

キャリア密度 
ドーピングした不純物が全てイオン化している場合を考える。非縮退半導体の伝導帯の電子濃度 、価電子帯の正孔濃度 、真性キャリア密度  との間には以下の関係が成り立つ。

これと電荷中性の条件から、キャリア濃度は以下のように与えられる。

例えばアクセプター濃度  と真性キャリア密度  が無視できる時の電子濃度は  となる。同様に、ドナー濃度  と真性キャリア密度  が無視できる時の正孔濃度は  となる。

フェルミ準位 
非縮退半導体のフェルミエネルギー  は、真性半導体のフェルミ準位を  とすると次のように表せる。

真性半導体のフェルミ準位  は、バンドギャップのほぼ中央に位置する。ドナーを増加させて電子濃度  を増やすとフェルミ準位は上昇し、伝導帯に近づく。逆にアクセプターを増加させて正孔濃度  を増やすとフェルミ準位は下がり、価電子帯に近づく。

脚注

注釈

出典

半導体
電磁気学
固体物理学