真性半導体

真性半導体（しんせいはんどうたい）とは、不純物を添加していない純粋な半導体のことを指す。英語名 (intrinsic semiconductor) からi型半導体と呼ばれることもある。

特徴

キャリア密度

ドーピングされている場合は、ドーパントの密度で決まるキャリア密度も、真性半導体の場合、不純物密度でなく、材質そのものからキャリア密度が決定される。このキャリア密度を真性キャリア密度($n_{i}$)という。この真性キャリア密度は非常に低い値(～10¹⁰ /cm³)である。これは、通常のドーピングで得られるキャリア密度より約10桁近く低い値であるため、通常半導体を使用する場合ドーピングされる場合が多い。

真性半導体のホール密度$p$と電子密度$n$は、$n=p=n_{i}={\sqrt {N_{C}N_{V}}}$の関係が成立する($N_{C}$は伝導帯の電子密度、$N_{V}$は価電子帯のホール密度である)。

フェルミ準位

ドーピングされている場合、フェルミ準位は、そのドナー準位やアクセプタ準位近傍に存在するが、真性半導体では、禁制帯のバンドのほぼ中央に位置する。 伝導帯のエネルギーを$E_{C}$、価電子帯のエネルギーを$E_{V}$、電子とホールの有効質量を$m_{e}$、$m_{h}$とした場合、真性半導体のフェルミ準位のエネルギー$E_{i}$は

$E_{i}={{E_{C}+E_{V}} \over 2}+{1 \over 2}kT\ln {N_{V} \over N_{C}}={{E_{C}+E_{V}} \over 2}+{3 \over 4}kT\ln {m_{h} \over m_{e}}$

の形で表記される。

キャリア移動度

真性半導体では、不純物のドーピングがされていないため、キャリアはイオン化不純物散乱の影響を受けない。その結果、ドーピングされている際と比較して、非常に高移動度を示す。しかし、前述のように真性半導体ではキャリア密度が非常に低いため、これを利用した用途は限定される。ヘテロ構造による二次元電子ガスを利用した半導体素子(例えば、HEMT)の様な用途がある。

ドーピング

真性半導体ではキャリア密度が低いため、一般には、真性半導体に不純物をドーピングした不純物半導体(外因性半導体)が使用される。この不純物半導体では、ドナーもしくはアクセプタの熱励起によるキャリアが伝導に寄与する。これは、キャリアがホール（正孔）のP型半導体、キャリアが電子のN型半導体に大別される。 キャリアの種類は、不純物元素の最外殻電子の数に依存する場合が多く、最外殻電子が4より大きい時はN型半導体、最外殻電子が4より小さい場合はP型半導体になることが多い。シリコンの場合、リン、ヒ素をドーピングした場合N型半導体に、ホウ素をドーピングした場合P型半導体になる。