【初心者向けの完全ガイド】半導体物理 – 不純物 用語解説と使い方について

半導体物理の基礎を学ぶために、キャリア生成についての理解は欠かせません。本記事では、初心者向けにキャリア生成の基本概念や重要な用語を解説します。

キャリア生成は、半導体内で電子や正孔（ホール）が生成される過程を指します。半導体は、特定の条件下で電気を通す能力を持つ材料であり、このキャリア生成が半導体デバイスの動作の基礎となります。キャリア生成は、主に熱的なエネルギーや光エネルギーによって引き起こされます。

半導体内には2種類のキャリアが存在します。1つは電子で、もう1つは正孔です。電子は負の電荷を持ち、正孔は正の電荷を持つと考えられます。電子が半導体のバンド構造内で励起されると、価電子帯から伝導帯に移動し、自由に動けるようになります。この過程で、価電子帯に残された空席が正孔と呼ばれます。

キャリア生成は、主に以下の2つのメカニズムによって行われます。

1. 熱的励起
半導体が高温になると、原子の振動が激しくなり、電子が価電子帯から伝導帯に遷移することができます。これにより、電子と正孔が生成されます。

2. 光励起
半導体に光が当たると、光子が電子を励起し、価電子帯から伝導帯に移動させます。この場合も電子と正孔が生成されます。光励起は、太陽電池などの光エネルギーを利用するデバイスで重要な役割を果たします。

キャリア生成によって生成される電子と正孔の数をキャリア濃度と呼びます。キャリア濃度は、半導体の特性に大きな影響を与えます。例えば、キャリア濃度が高いと、電気伝導性が向上しますが、同時に不純物の影響を受けやすくなります。

半導体に不純物を添加することをドーピングと呼びます。ドーピングによって、キャリア濃度を制御することが可能です。例えば、n型半導体は、電子を供給する不純物（例えばリン）を添加することで生成されます。一方、p型半導体は、正孔を供給する不純物（例えばホウ素）を添加することで生成されます。このようにして、半導体の電気的特性を調整することができます。

キャリア生成は、半導体物理の重要な概念であり、電子や正孔の生成メカニズムを理解することは、半導体デバイスの設計や動作を理解する上で不可欠です。熱的励起や光励起のメカニズムを通じてキャリアが生成され、その濃度や不純物の影響によって半導体の特性が変化します。これらの基本的な知識を持つことで、半導体物理のさらなる学びに繋がるでしょう。