1. 半導体の性質

エネルギーバンド

原子は核と核を周回する電子からなる。
電子は、核を取り巻く原子空間内の任意の距離で核を周回することはできないが、特定の非常に特定の軌道のみが許可され、特定の離散的なレベルにのみ存在する。 これらのエネルギーはエネルギー準位と呼ばれます。 多数の原子が集まって結晶を形成し、固体材料中で相互作用し、エネルギー準位が非常に密接に間隔をあけてバンドを形成するようになった。 これはエネルギーバンドです。
金属、半導体、絶縁体は、それらのバンド構造によって互いに区別されます。 それらのバンド構造は下の図に示されています。

金属では、伝導帯と価電子帯は互いに非常に近くなり、内部のどこかでフェルミエネルギー（Ef）と重なることさえあります。 これは、金属が常に自由に動くことができるので、常に電流を運ぶことができる電子を持っていることを意味します。 このような電子は自由電子として知られている。 これらの自由電子は、金属を流れる電流の原因となります。

半導体や絶縁体では、価電子帯と伝導帯は十分な幅の禁制エネルギーギャップ（Eg）で分離され、フェルミエネルギー（Ef）は価電子帯と伝導帯の間にある。 伝導帯に到達するには、電子がバンドギャップをジャンプするのに十分なエネルギーを得る必要があります。 これが完了すると、それが行うことができます。

室温の半導体では、バンドギャップが小さく、半導体の導電性が限られているため、電子がギャップをかなり容易にジャンプし、伝導帯の遷移を行うのに十分な熱エネルギーがある。 低温では、電子は伝導帯を占有するのに十分なエネルギーを持たないため、電荷の移動は不可能である。 絶対零度では、半導体は完全な絶縁体であり、室温での伝導帯の電子密度は金属ほど高くないため、金属ほど良好な電流を伝導することはできません。 半導体の電気伝導率は金属ほど高くはありませんが、電気絶縁体ほど悪くはありません。 そのため、このタイプの材料は半導体と呼ばれ、半導体を意味します。

絶縁体のバンドギャップは大きいので、ギャップを飛び越える電子はほとんどありません。 そのため、絶縁体には電流が流れにくくなります。 絶縁体と半導体の違いは、バンドギャップエネルギーの大きさです。 禁制間隙が非常に大きく、その結果、電子が伝導帯に交差するのに必要なエネルギーが実質的に十分に大きい絶縁体では、電子が伝導帯に交差するのに必要なエネルギーが実質的に十分に大きい。 絶縁体は電気を容易に伝導しません。 それは絶縁体の電気伝導率が非常に悪いことを意味します。

ICなどに使用される半導体結晶。 99.999999999%の高い純度の単結晶のケイ素はありますが、実際に回路を作るとき電気特性を制御するために、不純物は加えられます。 添加された不純物に応じて、それらはn型およびp型半導体になる。

n型半導体用の高純度シリコンには五価のリン（P）またはヒ素（As）が添加されています。 これらの不純物はドナーと呼ばれます。 ドナーのエネルギー準位は伝導帯の近くに位置し、すなわちエネルギーギャップは小さい。 そして、このエネルギー準位の電子は伝導帯に容易に励起され、導電性に寄与する。

一方、三価ホウ素(B)など。 p型半導体に添加される。 これはアクセプタと呼ばれます。 アクセプタのエネルギー準位は価電子帯に近い。 ここには電子がないので、価電子帯の電子はここで励起されます。 その結果、価電子帯に正孔が形成され、これが導電性に寄与する。