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A1 · 半導体の基礎

エネルギーバンド: 何が電気を通すのか

物質が電気を通すかどうかは、電子がどれだけ詰まっているかではなく、満ちたバンドと空のバンドの間のエネルギーの隙間で決まります。このユニットでは、絶縁体、半導体、導体を順に切り替えながら、そのギャップが流れをどう分けるかを見ていきます。

バンドギャップ一つが流れを分ける

下の青いバンドは電子で満ちた価電子帯、上のオレンジの輪郭のバンドは空の伝導帯です。電流が流れるには電子が上のバンドへ上がって空席を見つけなければならず、二つのバンドの間に赤で示した間隔がそのギャップです。三つの物質のうちどれが電子を上へ送るのかを、上のバンドを漂う金色の電子から見分けてください。

ボタンで三つの物質を切り替えます。
バンドギャップ Eg
Eg ≈ 5 eV
ギャップが広すぎます。室温の熱エネルギーでは電子が上のバンドまでほとんど上がれず、金色の電子は一つもありません。
遮断

満ちた帯は電流を生まない

電子は、移れる空席があってはじめて一方向へ寄ることができます。価電子帯のようにすべての席が埋まっていると、ある電子が右へ行こうとしても行き場がなく、ある電子が動けば別の電子がその分逆へ押されて、結局打ち消し合います。そのため満ちたバンドの中にどれほど多くの電子があっても、正味の電流は 0 です。

隙間を越えてこそ流れる

何個かの電子が空の伝導帯へ上がると、通り道が二つ同時に開きます。上のバンドでは上がった電子が広い空席を動き回り、下のバンドでは電子が抜けた空席、つまり正孔が動きます。上へ上がる電子の数は熱エネルギー kT とギャップ Eg の競り合いで決まり、ギャップが大きくなるほど指数関数的に急に減ります。

観察σ ∝ n
電導度は自由キャリアの数に従う。
選ぶn ∝ exp(?)
上がる電子数はギャップに指数関数的に依存する。
空欄n ∝ exp(-Eg / ?)
分母の熱エネルギーがギャップと張り合う。
自分でσ ∝ exp(?)
合わせると、電導度はギャップに指数関数的に依存する。

隙間の大きさが三種を分ける

ギャップがなくバンドが重なっていれば、電子はいつも隣に空席を抱えているので導体になります。ギャップが数 eV と大きすぎると室温の熱では越えられず絶縁体です。その間、1 eV 前後の狭いギャップをもつのが半導体です。ギャップが小さいので熱やドーピングや光で流れを入れたり切ったりでき、半導体が役に立つ理由はまさにそこにあります。

最初の画面に戻ると

電子を上のバンドへ送ったのは導体と半導体でした。導体はギャップがないので金色の電子がいつも上のバンドを流れ、半導体は狭いギャップを熱の力でかろうじて越えさせ、数個の電子と同じ数の正孔でかすかな流れをつくります。絶縁体は広いギャップにはばまれ、電子は満ちたバンドの中に閉じ込められたまま一歩も動けませんでした。結局、流れを分けたのは電子の数ではなく、満ちたバンドと空のバンドの間のギャップ一つでした。

バンドギャップ(band gap) Eg は、満ちた価電子帯の上端と空の伝導帯の下端の間のエネルギーの距離です。ギャップが 0 なら導体、数 eV と大きければ絶縁体、約 1 eV と狭ければ半導体です。自由キャリアの数は n ∝ exp(-Eg / 2kT) で、ギャップに指数関数的に依存します。

次へつながる流れ

狭いギャップは、半導体に手を加える余地を与えます。次のユニットでは不純物原子をごくわずか混ぜて(ドーピング)、上のバンドの電子か下のバンドの正孔のどちらかを意図的に多数派にします。そうしてつくった n 型と p 型を接合すると、ダイオードの要となる pn 接合になります。