Biophysics · 07.05

真性半導体のエネルギー準位

Energy levels of intrinsic semiconductor

🧠 真性半導体intrinsic semiconductor真性半導体（intrinsic semiconductor）intrinsic semiconductor（真性半導体）は不純物を意図的intentional意図的（intentional）intentional（意図的）に加えず、熱励起thermal excitation熱励起（thermal excitation）thermal excitation（熱励起）で電子–正孔hole正孔（hole）hole（正孔）対（electron–hole pair）を等数作る。

熱励起による電子・正孔対

バンドギャップband gapバンドギャップ（band gap）band gap（バンドギャップ）は絶縁体insulator絶縁体（insulator）insulator（絶縁体）より小さく、温度上昇により価電子valence electrons価電子（valence electrons）valence electrons（価電子）が伝導帯conduction band伝導帯（conduction band）conduction band（伝導帯）へ移り、価電子帯valence band価電子帯（valence band）valence band（価電子帯）に正孔hole正孔（hole）hole（正孔）を残す。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='thermal excitation'>熱励起</span>"]
  B["電子が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='band gap'>バンドギャップ</span>を越える"]
  C["伝導電子と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hole'>正孔</span>が共に伝導"]
  A --> B
  B --> C

真性半導体の担体密度

n=p=n_i\propto\exp\!\left(-\frac{E_g}{2k_BT}\right)

真性担体濃度intrinsic carrier concentration真性担体濃度（intrinsic carrier concentration）intrinsic carrier concentration（真性担体濃度）は温度へ強い指数依存性を示す。

温度依存性

導体と異なり、真性半導体intrinsic semiconductor真性半導体（intrinsic semiconductor）intrinsic semiconductor（真性半導体）の担体数carrier population担体数（carrier population）carrier population（担体数）は熱励起thermal excitation熱励起（thermal excitation）thermal excitation（熱励起）で増加する。意図的intentional意図的（intentional）intentional（意図的）に担体数carrier population担体数（carrier population）carrier population（担体数）を制御する方法がドーピングdopingドーピング（doping）doping（ドーピング）である。

電子と正孔hole正孔（hole）hole（正孔）の両方が電流を運ぶ。
真性フェルミ準位intrinsic Fermi level真性フェルミ準位（intrinsic Fermi level）intrinsic Fermi level（真性フェルミ準位）は概ねバンドギャップband gapバンドギャップ（band gap）band gap（バンドギャップ）中央。
温度上昇で伝導率conductivity伝導率（conductivity）conductivity（伝導率）が増える点が金属と対照的。

材料・生体への応用

半導体検出器semiconductor detector半導体検出器（semiconductor detector）semiconductor detector（半導体検出器）や温度センサーtemperature sensor温度センサー（temperature sensor）temperature sensor（温度センサー）の基本。

まとめ

真性半導体intrinsic semiconductor真性半導体（intrinsic semiconductor）intrinsic semiconductor（真性半導体）は不純物を意図的intentional意図的（intentional）intentional（意図的）に加えず、熱励起thermal excitation熱励起（thermal excitation）thermal excitation（熱励起）で電子–正孔hole正孔（hole）hole（正孔）対を等数作る。
電子と正孔hole正孔（hole）hole（正孔）の両方が電流を運ぶ。
半導体検出器semiconductor detector半導体検出器（semiconductor detector）semiconductor detector（半導体検出器）や温度センサーtemperature sensor温度センサー（temperature sensor）temperature sensor（温度センサー）の基本。