半導体

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化合物半導体

2種類以上の元素からできた化合物の中にも半導体の性質をもつものがある。真性半導体や不純物半導体の原子は共有結合をとっているが、化合物半導体は一部がイオン結合の性格をもっているのが特徴である。多くの種類がある。周期表では、13族元素のガリウムGaやインジウムInと15族元素であるヒ素AsやリンPの化合物であるガリウムヒ素GaAs、ガリウムリンGaP、インジウムリンInPや、12族元素のカドミウムCdや亜鉛Znと16族元素である酸素OやテルルTe、セレンSeからできた酸化亜鉛ZnO、カドミウムテルルCdTe、セレン化亜鉛ZnSeなどは2種類の元素からできている。そのほかにも、アルミニウムガリウムヒ素AlGaAsやガリウムインジウムヒ素リンInGAAsPのように3種類または4種類の元素からできたものもある。

化合物半導体の製造においては、融点や沸点に差がある材料をつかったり、不純物が混入する可能性から、不純物半導体のように、CZ法やFZ法といった精製法がつかえない。そのため、それぞれの元素をイオン化して積層するか、CVD、LB膜などの方法で薄膜をつくる。性質としては、シリコンでできた不純物半導体にくらべ、化合物半導体であるガリウムヒ素半導体内部の電子は5倍近い高速で移動することができるため、コンピューターの回路素子などに利用されている。また、ガリウムヒ素はシリコンにくらべ発光効率がよく、発光ダイオード(→ ダイオード)や固体レーザー(→ レーザー)の発光体などに利用されている。

III

半導体の構造

半導体に不純物を添加したり高温にした場合、あるいは光をあてた場合の電気伝導率の増大は、電流をになう伝導電子とよばれる自由にうごきまわる電子の増加によるものである。

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伝導電子と正孔(ホール)

シリコンなど純粋な元素からなる半導体では、原子の価電子によって共有結合が形成されており、低い温度では価電子が結晶中で拘束されているため、移動できない。しかし温度が上昇したり光が照射されたりして価電子が励起されると、伝導電子となって禁制帯をこえて伝導帯にうつり、自由にうごける伝導電子となるため、電流がながれやすくなる。

また、正孔(ホール)とよばれる電子のぬけた孔も、伝導電子と同じように電流の担い手になる。正孔に電圧をくわえるとほかの伝導電子がとびこみ、その伝導電子がぬけた正孔に別の伝導電子がとびこむということがくりかえされる。そのため、伝導電子が負の電荷をはこぶのに対して、正孔は正の電荷をはこぶようにみえる。また、伝導電子や正孔が電流の担い手になるレベルまで励起するのに必要なエネルギーは、エネルギーギャップとよばれている。→物性物理学の「バンド理論」：金属の「バンド理論」

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ドーピング

温度をあげたり光をあてる以外に伝導電子や正孔をつくりだす方法が、不純物の添加(ドーピング)である。いいかえれば、純粋結晶に対し、価電子数のことなる不純物を微量混合することで、それによって意図的に伝導電子が過剰な状態や不足の状態にすることができる。

IV

n型半導体とp型半導体

ドナーのドーピングによって伝導電子を過剰にしたものをn型半導体、反対にアクセプタによって正孔を生じるものをp型半導体とよぶ。「n」は「負」という意味をもつnegativeの略で、負の電荷をもつ伝導電子を生みだすことからn型半導体とよばれる。一方、「p」は「正」という意味のpositiveの略で、p型半導体では伝導電子が不足した部分にできた正の電荷である正孔が電流をになう。