N型半導体

n型半導体とは？

n型半導体は、電流の担い手となるキャリアが電子である半導体です。これは、正孔（ホール）がキャリアとなるp型半導体と対照的です。シリコンやゲルマニウムといった半導体材料に、リンやヒ素などの5価元素を少量添加することで作製されます。

電子の役割

物質は通常、原子核の周りを電子が回っています。しかし、半導体では、これらの電子の一部が原子核の束縛から離れ、自由に動き回ることができます。この自由に動き回れる電子を「自由電子」と呼びます。n型半導体では、この自由電子が電流を運ぶ役割を果たします。

不純物添加の効果

純粋なシリコンなどの半導体は真性半導体と呼ばれ、電気伝導率は低いです。しかし、真性半導体に5価元素などの不純物を添加すると、電気伝導率が劇的に向上します。これは、5価元素が持つ5個の価電子のうち4個がシリコン原子と共有結合を形成し、残りの1個の電子が自由電子として動き回るためです。

ドナーとドナー準位

5価元素のように、自由電子を供給する不純物を「ドナー」と呼びます。ドナー原子が半導体結晶中に導入されると、ドナー原子に束縛された状態の電子が存在します。この電子の状態を「ドナー準位」といいます。ドナー準位は伝導帯のすぐ近くに位置し、わずかな熱エネルギーや光エネルギーによって、容易に伝導帯へ励起され、自由電子となります。

エネルギーバンドギャップ

半導体中の電子のエネルギー準位は、連続的なエネルギーバンドではなく、エネルギーバンドギャップと呼ばれるエネルギーの禁制帯によって分離された複数のエネルギーバンドで表現されます。伝導帯は電子が自由に動き回ることができるエネルギー準位であり、価電子帯は電子が原子に束縛されているエネルギー準位です。ドナー準位は伝導帯のすぐ下に位置し、バンドギャップが小さいため、電子は比較的容易に伝導帯へ励起されます。

n型半導体の製造

n型半導体の製造は、シリコンなどの半導体基板に、リン、ヒ素、アンチモンなどの5価元素を拡散やイオン注入などの手法で添加することで行われます。添加する不純物の量を制御することで、自由電子の濃度、ひいては半導体の電気伝導率を調整することができます。

n型半導体の応用

n型半導体は、トランジスタ、ダイオード、集積回路などの様々な半導体デバイスの基礎材料として広く用いられています。p型半導体と組み合わせてpn接合を作製することで、整流作用を持つダイオードや、増幅作用を持つトランジスタが実現します。現代の電子機器は、n型半導体を含む様々な半導体デバイスによって支えられています。

まとめ

n型半導体は、自由電子を多数キャリアとして持つ半導体であり、5価不純物の添加によって電気伝導率が向上します。この性質を利用して、様々な電子デバイスが作られています。ドナー準位と伝導帯のエネルギー準位の関係、そして不純物添加によるキャリア制御は、半導体工学における重要な概念です。

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