【図解あり】N型半導体・P型半導体とは




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【図解あり】N型半導体・P型半導体とは

  • N型半導体・・・ネガティブ(Negative)型半導体
  • P型半導体・・・ポジティブ(Positive)型半導体

という意味で使われています。

(和訳)
ネガティブ(Negative)・・・ 否定的な、消極的な、悲観的な 
【数学】 負(マイナス)の
【電気】 陰電気
【医学】〈反応の結果が〉陰性の

(和訳)
ポジティブ(Positive)・・・明確な、積極的な
【数学】 正(プラス)の
【電気】 陽電気
【医学】〈反応の結果が〉陽性の

では、

  • N型半導体・・・陰電気を帯びている半導体
  • P型半導体・・・陽電気を帯びている半導体

それぞれ、どういう意味なのか説明していきます。

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半導体とは

半導体

先ず、N型半導体P型半導体を説明する前に、

  • 半導体とは何か
  • 半導体の特徴

それぞれ説明します。

半導体

半導体とは、

  • 導体・・・電気伝導性の良い金属などの物質
  • 絶縁体・・・電気抵抗率の大きい物質

中間的な抵抗率をもつ物質を言います。

代表的なものとしては

  • ケイ素(Si)
  • ゲルマニウム(Ge)

等があります。

半導体

半導体の特徴

半導体の代表格であるシリコンを例に取ります。

シリコン(Silicon)とはケイ素原子の英名。

酸素と結合してできた安定化合物の二酸化ケイ素(SiO₂)から、酸素を剥がしてケイ素(シリコン)だけにしたものです。

SiO₂(二酸化ケイ素) – O₂(酸素) -> Si(シリコン)

シリコン

  • 4価元素の真性半導体

という特徴を持っています。

元素周期表

電子殻

シリコンの特徴で「4価元素の真性半導体」とありました。

4価元素とは、原子構造において、原子核を取り巻く電子殻最外殻電子の電子の数を指します。

電子殻に収納可能な電子数

K殻 L殻 M殻 N殻 O殻 P殻
主量子数 n 1 2 3 4 5 6
電子数 2 n^2 2 8 18 32 50 72
シリコンの原子構造において、最も外側にある電子殻(M殻)には、4つの電子が存在します。

ケイ素の原子構造

N(ネガティブ)型半導体・P(ポジティブ)型半導体

N(ネガティブ)型半導体・P(ポジティブ)型半導体

シリコンの結晶は

  • 共有結合性の物質
  • 自由電子がほとんど使用できません。

このような半導体を真性半導体とよびます。

この真性半導体は、

  • 自由電子が動きにくく
  • 絶縁体と同様に通電できない

シリコン

半導体として電気を流す為には、基本的には真性半導体のシリコンに不純物としてリンやホウ素を混ぜ込んだものを使用します。

  • リン、ヒ素 等を不純物として添加する ->N型半導体
  • ホウ素、アルミニウム 等を不純物として添加する ->P型半導体

不純物半導体・・・半導体に不純物をドープ(Dope)させたもの

不純物半導体

N(ネガティブ)型半導体

N(ネガティブ)型半導体は、

  • 電荷を運ぶキャリアとして自由電子が使われる半導体
  • 負の電荷を持つ自由電子がキャリアとして移動することで電流が生じる

電荷キャリア(charge carrier)・・・電荷を運ぶ自由な粒子を指し、特に電気伝導体における電流を担う粒子を指します。

シリコンなどの、4価元素の真性半導体に、

  1. 微量の5価元素(リン、ヒ素 等)を不純物として添加
  2. 電子が一つ余分に生じる
  3. この余剰の電子が伝導帯に励起され自由電子となり
  4. 電気伝導性を与えます

N(ネガティブ)型半導体

N(ネガティブ)型半導体体をつくる為の不純物をドナー(doner)といい、この不純物より形成された準位をドナー準位と呼びます。

P(ポジティブ)型半導体

P型半導体は、

  • 電荷を運ぶキャリアとして正孔(ホール)が使われる半導体
  • 正の電荷を持つ正孔(ホール)が移動することで電流が生じます。

シリコンなどの、4価元素の真性半導体に、

  1. 微量の3価元素(ホウ素、アルミニウム 等)を添加
  2. 電子の不足により正孔(ホール)が生じる
  3. 正孔(ホール)を埋める為、近隣の自由電子が移動
  4. 自由電子の移動に伴い、正孔(ホール)が移動
  5. 電気伝導性を与えます

P(ポジティブ)型半導体

正孔

P型半導体をつくる為の添加物をアクセプタ(acceptor)といい、この添加物によって形成された準位をアクセプタ準位と呼びます。

コメント

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