真性半導体は、半導体のキャリアがどう生じるかを考える基本になります。ただし「純度が高い材料」「シリコンという元素」「実際のチップ」を、すべて同じ意味で真性半導体と呼ぶことはできません。定義と成立する条件から整理します。
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真性半導体は材料本来のキャリアで考える状態
理想的な真性半導体では、不純物の影響を無視し、材料本来の熱励起で生じる電子と正孔を考えます。熱平衡では、電子濃度nと正孔濃度pが等しく、n＝p＝niとなります。niはその材料・温度における真性キャリア濃度です。MITの半導体入門講義は、この関係と温度依存性を示しています。
「同数」とは濃度の関係であり、両者が同じ速さで動く、同じ大きさの電流を分担するという意味ではありません。また、現実の高純度材料でも残留不純物や欠陥があれば、測定される特性に影響します。純度の表示だけで真性状態を断定せず、温度とキャリアの状態を確認します。
電子と正孔は対で生じるが、それだけで外部電流は決まらない
価電子帯の電子が伝導帯へ励起されると、伝導電子と、価電子帯の電子が欠けた状態である正孔が生じます。電子と正孔は、ともに電荷を運ぶキャリアです。正孔は、結晶中を正の電荷が移動するように扱える状態で、陽子が結晶内を流れるという意味ではありません。
電子・正孔対が生成したことと、外部回路へ電流が取り出されることは別です。電界による移動、濃度差に伴う輸送、生成と再結合、電極や接合の構造などが関わります。光を当てれば、構造や接続によらず自動的に電力が得られると考えないでください。
温度でniが変わるため、純度だけでは比較できない
真性キャリア濃度niは温度に強く依存します。Siについて、MITの講義は300Kでおよそ10の10乗cm−3という目安を示しています。これは300Kの真性Siの近似的な濃度であり、どの温度や材料、ドーピング状態にも使う定数ではありません。
温度が変われば、キャリア濃度に加えて移動度や再結合なども変化します。真性領域の温度依存性を、すべての半導体デバイスの動作保証範囲へ読み替えることはできません。実際の部品はデータシートの動作条件と定格、測定条件で確認します。
不純物半導体との違いは、濃度を支配する要因
| 状態の例 | 熱平衡のキャリアの見方 | 確認する条件 |
|---|---|---|
| 真性として扱う状態 | n＝p＝ni | 不純物の影響を無視できるか、材料と温度 |
| n型の不純物半導体 | 電子が多数キャリアになる領域 | ドナー/アクセプタ、温度と濃度 |
| p型の不純物半導体 | 正孔が多数キャリアになる領域 | アクセプタ/ドナー、温度と濃度 |
Siではリンなどのドナー、ホウ素などのアクセプタを導入して、キャリア濃度を調整します。不純物の濃度と、その温度のniとの比較が重要です。MITの不純物半導体の講義は、ドーピングがキャリア濃度を支配する条件と、真性として振る舞う条件を分けています。単に不純物が少ないほど影響を受けにくい、という関係ではありません。
n型やp型という名称は、多数キャリアの種類を示します。材料全体が負や正に帯電している、という意味ではありません。東芝の基礎教材も、ドーパントとキャリア、材料全体の電気的中性を区別して説明しています。
実際の素子では、領域と機能を分けて読む
SiやGeという材料名だけでは、真性か不純物半導体かは決まりません。集積回路や太陽電池などには、ドーピングや接合、電極、絶縁膜などを組み合わせた構造があります。製品に高純度Siを使うことと、製品全体が真性半導体として動くことは別です。
材料や測定結果を説明するときは、材料、温度、熱平衡かどうか、不純物とキャリア濃度を確認します。光照射や注入で非平衡になった状態に、熱平衡のn＝p＝niをそのまま適用しないことも重要です。
真性半導体の考え方は、材料本来のキャリアと、不純物や外部刺激による変化を分ける基準になります。バンドや不純物準位についてはエネルギーバンドと禁制帯の解説も参照してください。
まとめ
真性半導体の基本は、熱平衡でn＝p＝niとなるキャリアの関係です。niは材料と温度で変わり、残留不純物の影響も条件次第です。高純度、低電圧動作、完成製品の高性能を同じ意味として扱わず、材料の状態と素子構造を分けて理解します。
