p型半導体とn型半導体の違いは？

p型は3価の不純物で正孔が多数キャリア、n型は5価の不純物で自由電子が多数キャリアの半導体です。

電子が抜けたあとの穴です。まわりの電子が次々に移ることで、プラスの電荷をもった粒のように動きます。

ドナーとアクセプタの違いは？

ドナーは電子を与える5価の不純物（リンなど）、アクセプタは電子を受け取る3価の不純物（ホウ素など）です。

pn接合の境目で電子と正孔が打ち消し合い、キャリアがほとんどいなくなった領域です。イオンだけが残り、電界ができます。

少数キャリアはどれくらい少ない？

n×p＝ni²の関係で決まります。シリコンにドナーを1×10¹⁶ cm⁻³ 入れると、正孔は1×10⁴ cm⁻³ほどしかありません。

p型半導体とn型半導体の違い｜正孔と電子・pn接合と空乏層を図解｜計算ツール付き

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真性半導体とは？電子と正孔が同じ数だけある

シリコン（Si）は、手を4本もつ（価電子が4個の）原子です。となりの原子と手をつないで（共有結合）結晶をつくります。不純物をふくまない純粋なシリコンを真性半導体といいます。

温度が上がると、つないでいた手（電子）が熱で外れ、自由に動ける自由電子になります。電子が抜けたあとには「穴」が残り、これが正孔（ホール）です。真性半導体では、自由電子と正孔が必ず同じ数だけできます。

正孔はなぜ「プラスの粒」のように動くのか

満席の映画館に、空席が1つだけあるとします。となりの人が空席に移ると、元の席が空きます。これをくり返すと、人（電子）は左へ、空席（正孔）は右へ動いて見えます。電子が足りない場所なので、正孔はプラスの電荷をもった粒のようにふるまいます。

n型半導体とp型半導体｜不純物の価電子の数で決まる

	n型半導体	p型半導体
加える不純物	5価：リンP・ヒ素As・アンチモンSb	3価：ホウ素B・アルミニウムAl・ガリウムGa・インジウムIn
不純物の名前	ドナー（電子を与える）	アクセプタ（電子を受け取る）
多数キャリア	自由電子	正孔
少数キャリア	正孔	自由電子
名前の由来	negative（負）の電子が主役	positive（正）の正孔が主役
全体の電荷	中性	中性

5価の原子は、シリコンとつなぐ手が1本あまり、その電子が自由電子になります。3価の原子は手が1本足りず、そこが正孔になります。加える不純物は、シリコンの原子にくらべてごくわずかですが、それでもキャリアの数は大きく増えます。

「p型はプラスに帯電している」はよくある間違いです。不純物の原子もふくめて数えると、p型もn型も全体としては電気的に中性です。主役になるキャリアの種類がちがうだけです。

多数キャリアと少数キャリア｜n×p＝ni²

熱平衡の状態では、自由電子の濃度nと正孔の濃度pのかけ算は、温度だけで決まる一定の値になります。これを質量作用の法則といいます。

例：シリコンにドナーを 1×10¹⁶ cm⁻³ 加えたn型半導体では、ほぼすべてのドナーが電子を出すので n≒1×10¹⁶。正孔は p＝(10¹⁰)²÷10¹⁶＝1×10⁴ cm⁻³ です。多数キャリアは少数キャリアの10¹²倍、つまり1兆倍になります。不純物を入れるほど、少数キャリアは減ります。

温度が上がるとどうなる？

温度が上がると、熱で外れる電子がふえて ni が大きくなり、キャリアがふえます。そのため半導体は、温度が上がると抵抗率が下がる性質があります（金属は逆に上がる）。この性質は、温度センサー（サーミスタ）にも使われます。

pn接合と空乏層｜境目にキャリアのいない領域ができる

順番	起こること
① 拡散	濃度の差で、n型の電子はp型へ、p型の正孔はn型へ移る
② 再結合	境目で電子と正孔が出会い、打ち消し合って消える
③ 空乏層	境目にキャリアのいない領域ができ、p側に負イオン、n側に正イオンが残る
④ 内部電界	イオンがつくる電界（n側からp側の向き）が、それ以上の拡散を止めて落ちつく

pn接合にp側がプラスになる向き（順方向）の電圧をかけると、空乏層がせまくなって電流が流れます。逆向き（逆方向）にかけると、空乏層が広がって電流はほとんど流れません。これがダイオードの整流作用です。シリコンのダイオードで電流が流れはじめる順方向電圧は、約0.6〜0.7Vです。

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pn接合に電圧をかけると｜順方向・逆方向・降伏

空乏層ができたpn接合に外から電圧をかけると、向きによって電流の流れ方がまったく変わります。これがダイオードの整流作用です。

かけ方	空乏層	電流
順方向（p側を＋、n側を−）	狭くなる	Siでは約0.6〜0.7Vを超えると急に流れ始める
逆方向（p側を−、n側を＋）	広がる	ほとんど流れない（少数キャリアによるわずかな漏れ電流だけ）
逆方向で大きな電圧	電界が強くなる	ある電圧（降伏電圧）を超えると急に流れる（降伏）

降伏には、強い電界で電子が引きはがされるツェナー降伏と、加速された電子が原子にぶつかって次々に電子を生むなだれ降伏があります。降伏の電圧がほぼ一定になることを使ったのが、定電圧を作るツェナーダイオードです。

pn接合を使った素子（ダイオード・発光ダイオード・太陽電池など）の正誤は、平成26年度理論問12で出題されています。

キャリア濃度の計算ツール

不純物の種類と濃度を入れてください。指数は「1e16」（＝1×10¹⁶）のように入れます。

入力すると、その場で計算し直します。入力した数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。不純物はすべてイオン化し、熱平衡にあるとみなしています。

電験三種での出題ポイントと、よくある間違い

半導体の基礎は、電験三種では理論科目の電子理論で、正誤問題や穴うめとしてよく出ます。

よくある間違い	正しい考え方
p型は3価だから電子が多い	3価は手が足りず正孔ができる。p型の多数キャリアは正孔
p型はプラスに帯電している	p型もn型も全体は中性
ドナーは3価、アクセプタは5価	ドナー（電子を与える）は5価、アクセプタ（受け取る）は3価
空乏層にはキャリアがたくさんある	キャリアがほとんどいない。残るのはイオン
半導体も温度で抵抗が上がる	半導体は温度が上がると抵抗率が下がる