真性半導体と不純物半導体の違い：キャリア・フェルミ準位・温度特性を比較
真性半導体は不純物をほとんど含まない純粋な半導体で、熱によって価電子帯から伝導帯に上がった電子と、そのあとにできた正孔が同じ数だけあります。不純物半導体(外因性半導体)は、ドナーやアクセプタを意図的に加えたもので、電子か正孔のどちらかが多数キャリアになります。室温のシリコンの真性キャリア密度は約1×10¹⁰ cm⁻³と小さいので、実際のデバイスでは不純物を加えて、キャリアの密度と導電型を決めています。
| 項目 | 真性半導体 | 不純物半導体(n型・p型) |
|---|---|---|
| 不純物 | 意図的には加えない(理想的には完全に純粋) | ドナー(リン、ヒ素など)かアクセプタ(ホウ素など)を加える |
| キャリアの起源 | 熱による電子と正孔の対の生成だけ | 主に不純物のイオン化。熱による対の生成もわずかにある |
| 電子と正孔の数 | 等しい(n = p = ni) | どちらかが多い。n型ではn ≈ ND、p型ではp ≈ NA |
| キャリア密度(室温のシリコン) | 約1×10¹⁰ cm⁻³ | 不純物の濃度でほぼ決まる。真性キャリア密度より何桁も大きくできる |
| 電子密度と正孔密度の積 | n × p = ni² | 熱平衡では同じくn × p = ni²。少数キャリアの密度は ni² / 不純物濃度 |
| フェルミ準位 | バンドギャップのほぼ中央(真性フェルミ準位) | n型では伝導帯側、p型では価電子帯側に寄る |
| 抵抗率(室温のシリコン) | 高い(10⁵ Ω·cm台) | 低い。不純物の濃度に応じて何桁も下がる |
| 温度が上がると | キャリアが指数関数的に増え、抵抗率が大きく下がる | 室温を含む中間の温度範囲ではキャリア密度がほぼ一定。極低温ではイオン化しなくなって減り(フリーズアウト)、高温では熱で生まれるキャリアが上回って真性半導体と同じふるまいになる |
| 使われ方 | そのままデバイスに使うことは少ない。不純物を加える出発点となる高純度の結晶 | トランジスタ、ダイオード、ウェル、ソース・ドレインなど、ほぼすべてのデバイス |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。