ドナー

ドナーとは

真性半導体にⅢ族やⅤ族の元素を混入すると、半導体の性質が大きく変化する。
半導体の性能をアップさせるために混入する元素を不純物という。
一般に不純物という言葉にはマイナスのイメージがあるが、半導体の場合は必要な物質なのだ。

不純物にはドナーとアクセプタの二種類がある。
ドナーは自由電子を供給し、アクセプタは正孔(ホール)を供給する。

Si(シリコン)等、真性半導体を構成する元素は４個の電子で周囲の元素と共有結合している。
熱の影響で電子が共有結合から外れるとホールが生まれる。

このため、真性半導体の中では自由電子とホールがは同数だ。

5価の元素であるAs(ヒ素)を少量、真性半導体に混入すると、周囲のSi(シリコン)と共有結合するが、その中の電子の一つが余ってしまう。
最外殻の電子が5個あるからだ。

この余分な電子は、微少なエネルギーで容易にAs(ヒ素)から離脱し自由電子になる。
このように共有結合に寄与しない電子を、自由電子として放出する元素がドナーだ。

共有結合から電子が抜ければ、跡には正孔(ホール)が残る。
しかし、ドナーから余分な電子が離脱しても正孔(ホール)は残らない。

ドナーを混入させた半導体中では、正孔(ホール)に比較して自由電子が過剰になる。
余分な電子が離脱しても正孔(ホール)は残らないから当然だ。

電流の担い手をキャリアという。
半導体中には、負電荷を担う自由電子と正電荷を担う正孔(ホール)の二つのキャリアがある。

真性半導体では自由電子と正孔(ホール)がキャリアだ。
しかし、ドナーを混入した半導体では自由電子が過剰になる。

過剰なキャリアを多数キャリアという。
多数キャリアが自由電子である半導体がn型半導体だ。

ドナーを含む半導体がn型半導体だ。

余談

ドナー(donor)とはもともと「寄贈者」を意味する単語である。
移植手術では臓器提供者をドナーという。

2005/06/01
2010/03/07