半導体は今日のテクノロジーにおいて最も重要なコンポーネントの 1 つであり、スマートフォンからコンピューターに至るまで、私たちが日常生活で使用するさまざまなデバイスに組み込まれています。このタイプの材料は、電気の流れを効率的かつ経済的に制御できるため、長年にわたって産業に革命をもたらしてきました。ただし、すべての半導体が同じというわけではありません。ここで、この分野に詳しくない人にとって混乱を招く可能性がある 2 つの用語、真性半導体と外部半導体が登場します。
エレクトロニクスの分野では、これら 2 種類の半導体の違いを知ることは、デバイスがどのように動作するのか、また特定のアプリケーションで一方が他方よりも好まれる理由を理解するために非常に重要です。この記事では、両方のタイプの半導体の特性と、その構造が動作にどのような影響を与えるかを徹底的に分析します。これから材料物理学と現代エレクトロニクスの柱の 1 つについて詳しく説明していきますので、ニューロンの準備をしてください。
真性半導体とは何ですか?
たくさん 真性半導体 これらは純粋な構造を持っており、ドーピングプロセスを通じて導入された不純物が含まれていないことを意味します。このタイプの半導体は、その電気的特性がもっぱら材料の固有特性に依存するため、材料の「基底状態」とみなされます。シリコン (Si) とゲルマニウム (Ge) は、その電子特性により電子デバイスの製造での使用に最適であるため、最も一般的な真性半導体です。
室温では、真性半導体は弱い電気伝導性を持ちます。しかし、温度が上昇すると、価電子殻内の電子は伝導帯に飛び込むのに十分なエネルギーを獲得し、電流が流れるようになります。この現象により、真性半導体は、熱による伝導率の厳密な制御が必要な用途にとって非常に興味深い材料となります。
純粋な半導体では、伝導帯の電子の数と価電子帯の正孔の数が同じであることに注意することが重要です。これは、両方の電荷キャリア間の完璧なバランスをもたらし、固有材料の導電性が非常にきれいで秩序ある現象であることを示唆しています。
外部半導体とは何ですか?
真性半導体とは対照的に、 外部半導体 運転能力を向上させるために不純物をドープしたものです。これらの不純物は通常、3 価 (アルミニウムなど) または 5 価 (リンなど) の元素に由来し、制御された量で添加すると、ベース半導体の電子特性を変化させます。このドーピングにより、電子の過飽和 (N 型半導体) または正孔の過飽和 (P 型半導体) が生じます。
N型半導体は、半導体の共有結合に必要な量よりも多くの電子を有する元素が材料にドープされた半導体です。この過剰な電子は自由に移動できるため、材料の導電率が大幅に増加します。リン、アンチモン、ヒ素は、N 型半導体の製造に使用されるドーパントの一般的な例です。
一方、P 型半導体は、共有結合を形成するために利用できる電子が少なく、正孔の形成を生成する元素が材料にドープされている半導体です。これらの穴は、電流を通過させる移動性の正電荷のように動作します。ホウ素、ガリウム、インジウムは、P 型半導体の作成に使用されるドーパント元素の例です。
真性半導体と外部半導体の比較
真性半導体と外部半導体はどちらもエレクトロニクスにおいて基本的な役割を果たしますが、それらの違いは化学組成と特定の条件下でどのように動作するかにあります。次に、両方のタイプの半導体の主要な特性を徹底的に比較します。
- 材料純度: 真性半導体は完全に純粋ですが、外部半導体には導電性を向上させるために不純物がドープされています。
- 電気伝導率: 真性半導体は、外因性半導体と比較して導電率がはるかに低くなります。固有の導電率は温度変化のみに依存します。
- ロードキャリア: 真性半導体では、電子の数と正孔の数は等しい。外部半導体では、ドーピングによってこのパリティが壊れ、過剰な電子 (N 型) または正孔 (P 型) が発生します。
- テクノロジーとアプリケーション: 外部半導体は、電気を伝導する能力が優れているため、実用的な用途にさらに役立ちます。これらは、トランジスタやダイオードなど、事実上すべての現代電子機器の基礎です。
P型半導体とN型半導体
外部半導体の 2 つの主なタイプのうち、 N型半導体 より多くの自由電子が含まれていますが、 P型半導体 さらに穴が開いています。 N 型半導体では電子が主な荷電粒子として機能し、電気を伝導します。一方、P 型半導体では、正孔（正に荷電した粒子）が電流を可能にします。
両方のタイプの最も重要な違いの 1 つは、外部電源に接続したときの動作方法です。 2 つの領域 (PN) 間に電位差が適用されると、次のようになります。 PN接合、ダイオードなどのデバイスの動作に重要な構造です。接合部が一方向に「分極」すると、電流が通過します。極性を逆にすると絶縁体として機能します。
外部半導体におけるドーピングの重要性
外部半導体では、ドーピングプロセスにより半導体結晶に不純物が導入され、その自然なバランスが変化し、伝導容量が増加します。 N型半導体を作成するには、5つの価電子を持つドーパントが使用されますが、P型半導体の場合は、3つの価電子しか持たない元素がベース材料にドープされます。このプロセスは材料の電気特性に直接影響を与え、電流の正確な制御が不可欠なアプリケーションでの効率を向上させます。
このドーピングは、現代のエレクトロニクスに不可欠なコンポーネントの中でも、バイポーラ トランジスタや集積回路の作成など、幅広い用途に応用されています。
外部半導体および真性半導体の応用
真性半導体は導電率が低いため、用途が限られています。ただし、温度センサーなど、温度変化に対する正確な応答が必要な環境では役立ちます。外部半導体は、その優れた導電性により、トランジスタからダイオード、集積回路に至るまで、多種多様な電子デバイスに使用されています。
たとえば、マイクロプロセッサでは、固有の N 型および P 型半導体の導通状態と非導通状態を切り替える機能により、コンピューターが論理演算を実行し、情報を効率的に保存および処理できるようになります。
半導体の分野は進化し続けており、炭化ケイ素 (SiC) やガリウム砒素 (GaAs) などの半導体材料の最近の進歩により、ますます高速で効率的なデバイスが開発されていることに言及する価値があります。
エンジニアや科学者にとって、真性半導体と外部半導体の違いを理解することは、より効率的なデバイスを設計するだけでなく、既存の技術を改善するためにも不可欠です。