Semiconductor-devices-doping-in-semiconductor-devices
半導体のドーピング
半導体として純粋なシリコンまたはゲルマニウムはめったに使用されません。 実際に使用可能な半導体には、制御された量の不純物が添加されている必要があります。 不純物の添加は導体の能力を変化させ、半導体として機能します。 真性または純粋な材料に不純物を追加するプロセスは「ドーピング」と呼ばれ、不純物は「ドーパント」と呼ばれます。 ドーピング後、真性材料は外因性材料になります。 実際には、これらの材料をドーピングした後にのみ使用可能になります。
結晶構造を変更せずにシリコンまたはゲルマニウムに不純物を追加すると、N型材料が生成されます。 一部の原子では、ヒ素（As）やアンチモン（Sb）などの電子の価電子帯に5つの電子があります。 いずれかの不純物をシリコンにドーピングしても、結晶構造または結合プロセスが変化してはなりません。 不純物原子の余分な電子は、共有結合には関与しません。 これらの電子は、元の原子によって緩やかに結合されています。 次の図は、不純物原子を追加したシリコン結晶の変化を示しています。
N型材料へのドーピングの影響
N型材料へのドーピングの効果は次のとおりです-
- 純粋なシリコンにヒ素を加えると、結晶はN型材料になります。
- ヒ素原子には、共有結合の過程に関与しない追加の電子または負電荷があります。
- これらの不純物は、結晶に1電子をあきらめるか寄付し、ドナー不純物と呼ばれます。
- N型材料には、固有の材料よりも余分な電子または自由電子があります。
- N型材料は負に帯電していません。 実際、その原子はすべて電気的に中性です。
- これらの余分な電子は、共有結合プロセスには関与しません。 結晶構造内を自由に動き回ることができます。
- N型の外因性シリコン結晶は、わずか0.005eVのエネルギーが印加されると伝導します。
- 真性結晶の電子を価電子帯から伝導帯に移動させるのに必要なのは0.7eVだけです。
通常、このタイプの結晶では電子が過半数の電流キャリアと見なされ、正孔は少数の電流キャリアです。 シリコンに追加されたドナー材料の量により、その構造内の多数キャリアの数がわかります。
N型シリコンの電子数は、真性シリコンの電子と正孔のペアの数倍です。 室温では、この材料の電気伝導率に大きな違いがあります。 電流の流れに参加するための豊富な電流キャリアがあります。 電流の流れは、主にこのタイプの材料の電子によって達成されます。 したがって、外因性材料は優れた導電体になります。
P型材料へのドーピングの影響
P型材料へのドーピングの影響は次のとおりです-
- インジウム（In）またはガリウム（Ga）が純シリコンに追加されると、P型材料が形成されます。
- このタイプのドーパント材料には、3つの価電子があります。 彼らは熱心に四番目の電子を探しています。
- Pタイプの材料では、各穴を電子で満たすことができます。 このホール領域を埋めるために、隣接する共有結合グループの電子が必要とするエネルギーは非常に少なくなります。
- シリコンには通常、1〜106の範囲のドーピング材料がドープされています。 これは、P材料が純粋なシリコンの電子正孔対よりもはるかに多くの正孔を持つことを意味します。
- 室温では、この材料の導電率に非常に明確な特性の違いがあります。
次の図は、アクセプター元素（この場合はインジウム）をドープすると、シリコンの結晶構造がどのように変化するかを示しています。 P材料の一部は正に帯電していません。 その原子は主にすべて電気的に中性です。
ただし、多くの原子グループの共有構造には穴があります。 電子が移動して穴を埋めると、穴は空になります。 電子が残った結合グループに新しいホールが作成されます。 ホールの動きは、実際には電子の動きの結果です。 P型材料は、わずか0.05 eVのエネルギーが印加されると伝導します。
上の図は、電圧源に接続したときにP型水晶がどのように応答するかを示しています。 電子よりも正孔の数が多いことに注意してください。 電圧が印加されると、電子はバッテリーのプラス端子に引き付けられます。
穴はある意味で、バッテリーのマイナス端子に向かって移動します。 この時点で電子が拾われます。 電子はすぐに穴を埋めます。 穴は空になります。 同時に、電池の正極端子によって材料から電子が引き出されます。 したがって、異なる結合グループ間で電子が移動するため、正孔はマイナス端子に向かって移動します。 エネルギーが適用されると、ホールの流れは連続します。
