何をどれだけ含めば不純物半導体？真性半導体との違いや純度の話

2021.08.06(Fri)

半導体には、「真性半導体」と「不純物半導体」という分類の仕方もあります。ここではそれぞれの意味を紹介した上で、何が不純物になるのか、どれだけ含んだ状態を言うのか、純度に関しても説明してきます。

「真性半導体」（intrinsic semiconductor）とは、シリコン単結晶、つまりシリコンという元素単一からなる結晶のみで構成されるような半導体を言います。つまりシリコン以外の元素がまったく含まれていないということです。

厳密には、完全に100%の単結晶であることまでは求められておらず、99.999999999％ほどと言われています。そのため理論上は不純物を含むことになりますが、これだけ支配的な割合であれば、これを単一の元素からなるものと言ってもいいだろうと考えられているのです。

この割合はつまり、1000億個以上ある同じ元素の中に1個の別の物質が含まれているという状態です。

ただ、この値も適当に設定されたものではありません。なぜなら半導体は不純物に非常に敏感だからです。敏感に反応する結果、電気特性を変化させてしまいます。

それもわずかな変化ではありません。構成元素、不純物の種類にもよりますが、不純物の濃度によって抵抗率を10分の1、100分の1、といった具合で変化させることもできるのです。

そのため、純度「99.999999999％」という数値にも意味があるのです。例えば「99.99%」の純度と聞けば何となく高い純度であるかのように感じるかもしれませんが、半導体の世界においては、別の物質がそこらに散らばっているような状態であり、とても純度が高いとは言えません。

なお、素材によってこの数値は当然変わってきます。上のように「9」が11個以上並べる必要があるのはシリコンの場合であって、ゲルマニウムを使った真性半導体の場合には「9」が9個並べば十分とされています。

つまり以下のようにまとめることができます。

他方、「不純物半導体」（impurity semiconductor）は、その名の通り不純物を含んでいます。かつて「外来半導体」と呼ばれていたこともあります。

「不純物」が入っていると聞くと、こちらのほうが質の劣る、良くない状態のであるかのように思うかもしれませんが、必ずしもそうとは言えません。

もちろん、意図せず関係のない元素を含んでしまってはいけませんし、そうなると期待する効果は得られません。ただ、今日においては製造プロセスも厳格になっており、容易にゴミを混入してしまうようなプロセスとはなっていません。

そこで実際のところ不純物半導体は、意図的に異なる元素を添加した半導体であると考えられます。この添加過程を「ドーピング」と呼びます。その意図とは、電気特性を変化させること、とりわけ抵抗率を変化させることにあります。

半導体は温度に応じて抵抗を変化させるのですが、純度が高すぎると扱いにくいケースが多いのです。室温と比較して相当に高温にしなければ抵抗が低くならないため、場合によってはほとんど絶縁体のようにしか振る舞いません。そこで添加を行い、抵抗が変化する段階を操作しているのです。

なお、真性半導体に求められる純度が相当に高いことを考えれば、不純物半導体といっても含有量は微量です。100万個から1億個の中に1個の不純物を添加させるといったイメージです。そのため相当に微細な技術が必要になります。

不純物半導体を製造する際、何を添加しても良いわけではありません。狙い通りの電気的特性を持たせなければなりませんので、特定の元素に限られます。

例えばシリコンやゲルマニウムに対して添加をするのであれば、
リン（P）・ヒ素（As）・アンチモン（Sb）や、ボロン（B）・アルミニウム（Al）・ガリウム（Ga）などが挙げられます。

さらに、前者のグループ（リン・ヒ素・アンチモン）と後者のグループ（ボロン・アルミニウム・ガリウム）とではできあがる不純物半導体の種類が異なります。

前者は元素の周期表で言うⅤ族で、N型不純物材料と呼ばれるタイプです。N型半導体を作るために用いられます。

他方、後者は周期表でいうⅢ属で、P型不純物材料と呼ばれるタイプです。P型半導体を作るために用いられます。

N型とP型とでは電子の状態が異なっており、この両者を組み合わせて（接合させて）、整流作用などを生んでいるのです。

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