ドーピング

図1. シリコンウェハー 1. 半導体とは 半導体は、条件によって電流を流しやすくしたり、流れにくくしたりできる、産業的に非常に重要な材料です。また、ドーピング、温度、電場、光などの条件によって、電気伝導性を大きく変化させることができます。 半導体は、価電子帯 valence band と伝導帯 conduction band から成り、その間にあるバンドギャップによってエネルギー差が生じます。そして、キャリアである正孔 hole と電子 electron を利用することで、私たちが望む電気的・光学的な特性を得ることができます。 代表的な応用先としては、LED、太陽電池、センサーなどがあり、電子産業やエネルギー変換技術の基盤となっています。 2. 半導体の一行定義 半導体とは、固体内部で電子のエネルギー状態がバンドとして形成され、バンドギャップ Eg が適切な大きさを持つことで、電子と正孔が生成・移動できる物質です。 キーワード 図2. 価電子帯、伝導帯、バンドギャップ Eg の概念図 産業ではどのように応用されているのでしょうか 半導体の最大の価値は、どの程度電流を流すかを素子設計によって実現できる点にあります。特に、必要なときに電流を流し、必要でないときには止めることができるという点が大きな強みです。 導体はバンドギャップがほとんどないため、電流が常に流れやすいです。一方で絶縁体はバンドギャップが大きすぎるため、電流を流しにくいです。 この二つの中間にあるのが半導体です。一定のエネルギーを与えることで、電流を流すことも、流れにくくすることもできます。 3. 核心原理 3つ 3.1 バンド構造 band structure とバンドギャップ band gap 固体中で電子は、任意のエネルギー値をとるわけではなく、主に価電子帯 valence band と伝導帯 conduction band に分布します。 この二つのバンドの間にあるエネルギー差がバンドギャップ Eg です。一般に、Eg が小さいほど熱や光によってキャリアが生成されやすくなる傾向があります。 Eg は、光の吸収や発光とも直接関係しています。 3.2…