n型半導体・p型半導体

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半導体とは、導体と絶縁体の中間的な抵抗率を持つ物質であり、熱や光、磁場、電圧、電流、放射線などの影響を受けてその導電性が変化するという性質を持つ。

代表的な半導体としてケイ素(Si)があるが、通常の状態においては強固な共有結合結晶を構成しており、その内部に電気を伝えられるような要素(キャリア)を有していない。そのため、これを電気回路上で半導体素子として用いるためには不純物を混ぜ、導電性を高めてやる必要がある。この時に混ぜる不純物の特性によって、n型半導体とp型半導体という2種類の不純物半導体が作られる。

n型半導体

上図はケイ素の結晶にリン(P)を混ぜたものである。リンは5価の元素であるため、高校化学の教科書的な表現を用いれば、結合後に”手が1本あまる”(上図左)。この「手」とはリンが持つ価電子のことに他ならず(上図右)、こうして生まれた自由な電子がキャリアとなって電流を伝える。

このように、負(Negative)の電荷を持つキャリアが電流を伝える不純物半導体を、n型半導体という。

p型半導体

今度はケイ素の結晶にホウ素(B)を混ぜてみる。すると、価電子を3個しか持たない3価のホウ素の場合は”手が1本足りない”ことになる(上図左上)が、これは負に荷電した電子の不在(=マイナスがマイナス1個)、すなわち正に荷電した穴(=空席)が存在していると考えることができる(上図中央上)。このような空席がある状態で電圧がかかると、より低電位の位置にある近隣の電子がこの空席に移動し(上図右上)、今度はその電子がもともといた場所に空席ができる。この現象が繰り返されると、電流の向きに沿って空席が移動しているように見ることができる(上図左下→中央下→右下)。

この正に荷電した穴(=空席)のことを正孔、またはホールと呼ぶ。このように、正(Positive)の電荷を持つキャリアが電流を伝える不純物半導体を、p型半導体という。

ダイオードの原理【次回】>

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投稿者: 大野 駿太郎

神経科学を研究している博士学生。Python, Rust, C/C++, C#, Julia, Common Lisp, Unityを活用して、世界の様々な現象をシミュレート・分析しています。理系分野だけでなく、政治学や社会学も、もちろん分析対象です。

「n型半導体・p型半導体」への3件のフィードバック

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