不純物半導体のソースを表示

[[ファイル:N-doped_Si.svg|thumb|right|シリコン(Si)中にリン(P)がドーピングされたN型半導体。]]
[[File:P-doped Si.svg|thumb|right|シリコン(Si)中にホウ素(B)がドーピングされたP型半導体。]]
'''不純物半導体'''（ふじゅんぶつはんどうたい）または'''外因性半導体'''（がいいんせいはんどうたい<ref group="注釈">{{lang-en-short|extrinsic semiconductor}}</ref>）とは、純粋な[[真性半導体]]に不純物（[[ドーパント]]）を微量添加（[[ドープ|ドーピング]]）した半導体のこと。ドーピングする元素により、[[半導体#半導体の型|キャリア]]が[[正孔|ホール]]（正孔）の[[P型半導体]]と、キャリアが[[電子]]の[[N型半導体]]に分類される。

N型とP型のどちらになるかは、不純物元素の[[原子価]]、その不純物によって置換される半導体の原子価によって決まる。
例えば原子価が4である[[ケイ素]]にドーピングする場合、原子価が5である[[ヒ素]]や[[リン]]をドーピングした場合がN型半導体、原子価が3である[[ホウ素]]や[[アルミニウム]]をドーピングした場合がP型半導体になる。

== 性質 ==
=== 電荷中性の条件 ===
伝導帯の電子濃度を {{mvar|n}}、価電子帯の正孔濃度を {{mvar|p}}、イオン化したドナー濃度を {{mvar|N<sub>D</sub>}}、イオン化したアクセプター濃度を {{mvar|N<sub>A</sub>}} とすると、以下の電荷中性の条件が成り立つ。
:<math>n+N_A=p+N_D</math>

=== キャリア密度 ===
ドーピングした不純物が全て[[イオン化]]している場合を考える。[[非縮退半導体]]の伝導帯の電子濃度 {{mvar|n}}、価電子帯の正孔濃度 {{mvar|p}}、[[真性キャリア密度]] {{mvar|n<sub>i</sub>}} との間には以下の関係が成り立つ<ref>{{Cite book|和書|author1=B.L.アンダーソン|author2=R.L.アンダーソン|date=|title=半導体デバイスの基礎|series=|volume=上巻（半導体物性）|translator=樺沢宇紀|publisher=丸善出版|page=|isbn=978-4621061473|ncid=BB09996372|oclc=793577200|asin=462106147X|year=2012|pages=114,103}}</ref>。
:<math>np=n_i^2</math>
これと電荷中性の条件から、キャリア濃度は以下のように与えられる。
:<math>n=\frac{N_D-N_A}{2}+\sqrt{\left(\frac{N_D-N_A}{2}\right)^2+n_i^2}</math>
:<math>p=\frac{N_A-N_D}{2}+\sqrt{\left(\frac{N_A-N_D}{2}\right)^2+n_i^2}</math>
例えばアクセプター濃度 {{mvar|N<sub>A</sub>}} と真性キャリア密度 {{mvar|n<sub>i</sub>}} が無視できる時の電子濃度は {{math|''n'' {{=}} ''N<sub>D</sub>''}} となる。同様に、ドナー濃度 {{mvar|N<sub>D</sub>}} と真性キャリア密度 {{mvar|n<sub>i</sub>}} が無視できる時の正孔濃度は {{math|''p'' {{=}} ''N<sub>A</sub>''}} となる。

=== フェルミ準位 ===
非縮退半導体のフェルミエネルギー {{Mvar|E<sub>F</sub>}} は、真性半導体のフェルミ準位を {{mvar|E<sub>i</sub>}} とすると次のように表せる。
:<math>E_F=E_i+kT\ln\left(\frac{n}{n_i}\right)=E_i-kT\ln\left(\frac{p}{n_i}\right)</math>
真性半導体のフェルミ準位 {{mvar|E<sub>i</sub>}} は、バンドギャップのほぼ中央に位置する。ドナーを増加させて電子濃度 {{mvar|n}} を増やすとフェルミ準位は上昇し、伝導帯に近づく。逆にアクセプターを増加させて正孔濃度 {{mvar|p}} を増やすとフェルミ準位は下がり、価電子帯に近づく。

==脚注==
{{脚注ヘルプ}}
===注釈===
{{Notelist}}
===出典===
<references />

{{半導体}}

{{DEFAULTSORT:ふしゆんふつはんとうたい}}
[[Category:半導体]]
[[Category:電磁気学]]
[[Category:固体物理学]]