半導体の導電性

電流を通す物質と通さない物質は、導体と誘電体のみに厳密に分けられるものではありません。シリコン、セレン、ゲルマニウムなどの半導体や、別のグループとして分離する価値のあるその他の鉱物や合金もあります。

これらの物質は、誘電体よりも電流をよく伝導しますが、金属よりは悪く、その伝導率は温度や照度が上昇すると増加します。半導体のこの特性により、半導体は光センサーや温度センサーに応用できますが、主な用途は依然としてエレクトロニクスです。

たとえば、シリコン結晶を見ると、シリコンの価数が 4 であることがわかります。つまり、原子の外殻には 4 つの電子があり、結晶内の 4 つの隣接するシリコン原子に結合しています。このような結晶が熱や光の影響を受けると、価電子はエネルギーの増加を受けて原子を離れ、自由電子になります。つまり、金属の場合と同様に、半導体の開口部に電子ガスが現れます。保持状態が発生します。

しかし、金属とは異なり、半導体は電子と正孔の伝導性が異なります。なぜこれが起こっているのでしょうか?そしてそれは何ですか?価電子がそのサイトを離れると、負の電荷が欠如した領域「正孔」が以前のサイトに形成され、過剰な正の電荷を持ちます。

隣接する電子は、生じた「穴」に容易に飛び込み、この穴が飛び込んだ電子で満たされるとすぐに、飛び込んだ電子の代わりに再び穴が形成されます。

つまり、正孔は半導体の正に帯電した移動領域であることが分かる。そして、半導体がEMF源を備えた回路に接続されると、電子は発生源の正端子に移動し、正孔は負端子に移動します。これが半導体の内部伝導がどのようにして起こるかということです。

電場が印加されていない半導体内の正孔と伝導電子の動きは無秩序になります。外部電界が結晶に印加されると、結晶内の電子は電界に逆らって移動し、正孔は電界に沿って移動します。つまり、半導体内で内部伝導現象が発生します。電子によって引き起こされますが、正孔によっても引き起こされます。

半導体では、伝導は常に、光子の照射、温度の影響、電界の印加など、何らかの外部要因の影響下でのみ発生します。

半導体のフェルミ準位はバンドギャップの中央に位置します。電子が上部の価電子帯から下部の伝導帯に遷移するには、バンドギャップ デルタに等しい活性化エネルギーが必要です (図を参照)。そして、電子が伝導帯に現れるとすぐに、価電子帯に正孔が生成されます。したがって、消費されるエネルギーは、一対の電流キャリアの形成中に均等に分割されます。

エネルギーの半分（バンド幅の半分に相当）は電子の移動に、半分は正孔の形成に費やされます。その結果、原点はストリップ幅の中央に対応します。半導体におけるフェルミエネルギーとは、電子と正孔が励起されるときのエネルギーであり、バンドギャップの真ん中にある半導体の場合、フェルミ準位がどの位置にあるのかは数学的な計算によって確認できますが、ここでは数学的な計算を省略します。

外部要因の影響下、たとえば温度が上昇すると、半導体の結晶格子の熱振動により一部の価電子結合が破壊され、その結果、電子の一部が分離された自由電荷キャリアになります。 。

半導体では、正孔と電子の形成とともに再結合プロセスが発生します。電子は伝導帯から価電子帯に入り、そのエネルギーを結晶格子に与え、電磁放射の量子を放出します。したがって、各温度は正孔と電子の平衡濃度に対応し、次の式に従って温度に依存します。

純粋な半導体の結晶に、親物質よりも価数が高いか低い、わずかに異なる物質が導入された場合、半導体の不純物導電性も存在します。

純粋な、たとえば同じシリコン内で、正孔と自由電子の数が等しい場合、つまり、それらが常にペアで形成されている場合、シリコンに不純物が添加された場合、たとえばヒ素の場合、価数が5の場合、正孔の数は自由電子の数より少なくなります。つまり、半導体は負に帯電した多数の自由電子で形成され、n型（負）半導体になります。また、シリコンより価数が低い 3 価のインジウムを混合すると、より多くの正孔が発生し、p 型 (正) 半導体になります。

ここで、異なる導電率の半導体を接触させると、接触点で pn 接合が得られます。 n 領域から移動する電子と p 領域から移動する正孔は互いに向かって移動し始め、コンタクトの反対側には反対の電荷を持つ領域 (pn 接合の反対側) が存在します。電荷はn領域に蓄積され、負の電荷はp領域に蓄積されます。転移に関して結晶の異なる部分は逆に帯電します。このポジションは全員の仕事にとって非常に重要です。 半導体デバイス.

このようなデバイスの最も単純な例は半導体ダイオードです。このダイオードでは、pn 接合が 1 つだけ使用されており、電流を一方向にのみ流すという目的を達成するには十分です。

n 領域からの電子は電源の正極に向かって移動し、p 領域からの正孔は負極に向かって移動します。十分な正および負の電荷が接合部付近に蓄積され、接合部の抵抗が大幅に減少し、回路に電流が流れます。

ダイオードの逆接続では、電子と正孔が接合部から異なる方向に電場によって吹き飛ばされるだけであるため、出力される電流は数万分の1に減少します。この原則は機能します ダイオード整流器.