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半導体(外因性半導体)に関して、キャリア密度の温度特性について勉強しています。
n形半導体の電子密度と温度の関係においては、低音から温度を上げていくと3領域からそれぞれ密度の上昇率が変化するということは理解できたのですが、
これがP形半導体と正孔密度に関する事となると、正孔がそもそも仮想的な概念ということからうまく説明がつかなくなってしまいます。

この正孔密度の場合についてもやはり温度帯域によって密度は変化するのでしょうか?
どなたかP形半導体の正孔密度と温度依存性に関してご教授して頂けると助かります。

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溶解度積」に関するQ&A: 分析化学 溶解度積

A 回答 (1件)

こんばんは。


一応、半導体関連の元開発技術者です・・・というわりには大した回答ができませんが、

N型、i型、P型 は、それぞれ、
酸性(酸)、中性、アルカリ性(塩基)
にたとえることができます。

常温では、濃度積[H+][OH-]= 10^(-14) (mol/L)^2
中性のときは、
[H+] = [OH-]
つまり、[H+] = 10^(-7) なので、これを中性(pH=7)と言います。
酸を混ぜたとき、たとえば、[H+]が10^(-7)から

濃度積は、温度が上昇するにつれて、大きくなっていきます。
これらのことから、
[H+]+[OH-] ⇔ [H2O]
は、対消滅と解離が絶えず繰り返されている熱運動であることを示唆しています。


さて、
半導体でも、溶解度積と同様に、
[n][p] = 温度に依存する定数
という式が成り立ちます。
なぜならば、
ホールというものの実体はないにしても、
電子とホールは、対消滅と「解離」ができるペアだからです。

p型半導体では、[n]よりも[p]のほうが著しく大きいですけれども、
あくまでも、
[n][p] = 温度に依存する定数
の関係は保たれます。
つまり、n型と同じことが起こることは、自然と類推されます。

「温度帯域」については知りません。
    • good
    • 0
この回答へのお礼

物凄くわかりやす回答ありがとうございました!
この考え方ですと温度帯域に関してもn形と同じことが言えそうです。
もう少し勉強頑張ってみたいと思います。

お礼日時:2008/07/23 13:36

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Qキャリアの移動度と温度依存性について

キャリア密度は温度依存性がある理由は分かったのですが、なぜ移動度にも温度依存性があるのか分かりません。

どなたか回答お願いします。

Aベストアンサー

移動度と温度の関係は、キャリアの散乱機構によって異なります。
散乱機構には3種類あり、
高温では、結晶格子の熱振動によるものです。
結晶格子の熱振動が激しくなると、電子波が散乱されて移動度が下がります。温度が高かくなるほど熱振動の振幅が大きくなるので、移動度は小さくなっていきます。

低温では、格子振動は弱まりますが、イオン化不純物による散乱が起こってくるようになります。簡単に言えば、イオン化した不純物の近くをキャリアが通過しようとすると、クーロン力によりキャリアの軌道が曲げられてしまいます。不純物密度が高いほど移動度は小さくなっていきます。しかし、温度が上昇すると、速度の大きいキャリアは、すり抜け、平均速度は大きくなるため、偏向の割合が少なくなるので、移動度は増加していきます。
逆に言えば、キャリア密度が小さいときに、温度が高くなると移動度の減少の割合は大きくなります。

密度と温度の両方が関係してきますので、説明が分かりにくいかもしれません。

最後に中性の不純物によってもキャリアの散乱は受けますが、この場合の移動度は温度にはよらないことが示されています。

散乱機構と移動度の関係式

格子振動∝m*^(-2/5)・T^(-3/2)
イオン化不純物∝m*^(-1/2)T^(3/2)
中性不純物∝m*

m*:有効質量
T:絶対温度

移動度と温度の関係は、キャリアの散乱機構によって異なります。
散乱機構には3種類あり、
高温では、結晶格子の熱振動によるものです。
結晶格子の熱振動が激しくなると、電子波が散乱されて移動度が下がります。温度が高かくなるほど熱振動の振幅が大きくなるので、移動度は小さくなっていきます。

低温では、格子振動は弱まりますが、イオン化不純物による散乱が起こってくるようになります。簡単に言えば、イオン化した不純物の近くをキャリアが通過しようとすると、クーロン力によりキャリアの軌道が曲げら...続きを読む

Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む

QP型半導体のキャリア移動度??

N型のキャリア移動度がどうしてP型半導体のキャリア移動度
よりおおきいのでしょう?
バンドギャップの違いからなのでしょうか?
御教えいただけると幸いです。

Aベストアンサー

こんばんは。
半導体デバイス・プロセスの技術開発業務経験者です。

「N型のキャリア移動度がどうしてP型半導体のキャリア移動度よりおおきいのでしょう?」
というよりは、
「P型のキャリア移動度がどうしてN型半導体のキャリア移動度より小さいのでしょう?」
という話になります。


N型半導体のキャリアは、文字通り電子ですが、
P型半導体のキャリアである「ホール」(正孔)は、おとぎ話の登場人物です。
実際に動くのは、ホールではなく、あくまでも電子です。
したがって、N型半導体とP型半導体を対称に考えることなど、そもそもできないのです。


15パズルって、やったことないですか?
http://weblogjapan.com/img_d/2007/05/23/3.jpg
15個の板を電子、1箇所空いているところをホールだと思ってください。
狙ったところまで「ホール」(空き)を移動させるには、周りの電子(板)を色々と動かさないといけません。
それがP型半導体です。


N型半導体は、15パズルの板と空きを反転させたもの、すなわち、板が1枚だけで、空いたところが15箇所あるパズルです。
狙ったところまで電子を移動させるのは、いとも簡単なことです。

そういうわけで、ホールの移動度は電子の移動度より小さくなっているのです。


以上、ご参考になりましたら。

こんばんは。
半導体デバイス・プロセスの技術開発業務経験者です。

「N型のキャリア移動度がどうしてP型半導体のキャリア移動度よりおおきいのでしょう?」
というよりは、
「P型のキャリア移動度がどうしてN型半導体のキャリア移動度より小さいのでしょう?」
という話になります。


N型半導体のキャリアは、文字通り電子ですが、
P型半導体のキャリアである「ホール」(正孔)は、おとぎ話の登場人物です。
実際に動くのは、ホールではなく、あくまでも電子です。
したがって、N型半導体と...続きを読む

Qフェルミエネルギー

フェルミエネルギーってどんなエネルギーのことですか??物理辞典とかを読んでも難しくてよくわかりません。わかりやすく説明おねがいします!

Aベストアンサー

長々と失礼致します。


電子のように
・粒子一つ一つに区別は出来ない
・一つの状態には一つの粒子しかは入れない
という性質の粒子を フェルミ粒子(ex陽子)といいます。

このフェルミ粒子は、フェルミディラック分布にしたがった確立で存在します。

f(ε)=1/[exp{(εーεF)/kT}+1]  ・・・☆
     f:フェルミ関数(運動エネルギーεをもつ粒子の存在確立)
     ε:粒子の運動エネルギー
     εF:フェルミエネルギー
     k:定数
     T:温度

☆式のεにフェルミエネルギーを入れると、粒子の存在確立が1/2になりますね。
ここで、温度T=0(絶対温度)の時を考えてみると、
運動エネルギーが、フェルミエネルギー以下の場合はf=1、フェルミエネルギー以上ではf=0となります。

ちなみに、粒子一つ一つを区別する事は出来ないけれど、一つの状態にいくつも粒子が入る事が出来るものをボーズ粒子(ex.光子)といいます。


電子はパウリの排他原理(排他律)にしたがい、一つの準位には一つの電子しか入れません。
下の準位から一つ一つ電子が埋まってゆき、その電子が詰まっている最大の準位がフェルミレベルで、このエネルギーをフェルミエネルギーといいます。
金属の場合、フェルミエネルギーは、荷電子帯の中にありますが、半導体の場合は荷電子帯と伝導帯の間にあります。
真性半導体の場合、荷電子帯の天井と伝導体の底辺のちょうど真ん中にあります。

長々と失礼致します。


電子のように
・粒子一つ一つに区別は出来ない
・一つの状態には一つの粒子しかは入れない
という性質の粒子を フェルミ粒子(ex陽子)といいます。

このフェルミ粒子は、フェルミディラック分布にしたがった確立で存在します。

f(ε)=1/[exp{(εーεF)/kT}+1]  ・・・☆
     f:フェルミ関数(運動エネルギーεをもつ粒子の存在確立)
     ε:粒子の運動エネルギー
     εF:フェルミエネルギー
     k:定数
     T:温度

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Q真性キャリア密度niの計算に関して

半導体工学のテキストに載っている真性キャリア密度の計算ですが
下式が有名ですが、この式と下記のパラメータを使って計算をすると、テキストに書いてある値(1.5×10^10 /cm^3または、1.45×10^10 /cm^3)と違っています。

式 ni=√(Nc*Nv)*exp(-Eg*q/2kT)
ni=√(2.8×10^19×1.02×10^19)×exp(-1.12×1.6×10^-19/2×1.38×10^-23×300)

パラメータ
Nc=2.8×10^19
Nv=1.02×10^19
q=1.6×10^-19
Eg=1.12
k=1.38×10^-23
T=300

計算過程は間違いないと思いますが、1.5×10^10 /cm^3または、1.45×10^10 /cm^3の値になりますでしょうか?

Aベストアンサー

昨日から、誰か回答してくれないかなぁと待っていましたが、なかなか現れないので、私が書くことにしました。
しかし、ずいぶん昔のことなので、自信がありませんので、違っているかもしれません。
たぶん次のところではないかと思うんですが。

>式 ni=√(Nc*Nv)*exp(-Eg*q/2kT)

上式は、PN積のni^2が一定となると言うことから、平方根をとっているのではないかと推測します。
この式のNcとNvがありますが、これは伝導帯中の電子の密度と価電子帯中のホール密度の定数部分ですよね。

ですが、
>テキストに書いてある値(1.5×10^10 /cm^3または、1.45×10^10 /cm^3)

この値は、伝道帯中の自由電子密度だけの値ではないでしょうか?
そう考えて、計算してみると、質問にあるパラメーターを用いて計算しても、1.5×10^10 /cm^3程度の値になります。

計算式は、
ni=Nc×exp(-Eg*q/2*kT)
です。

蛇足ですが、常温(T=300[K])のときのkTの値は、[eV]で表すと、約0.026[eV]となりますので、大雑把に計算するときはこの方が便利です。
ni=Nc×exp(-Eg/2*0.026)

昨日から、誰か回答してくれないかなぁと待っていましたが、なかなか現れないので、私が書くことにしました。
しかし、ずいぶん昔のことなので、自信がありませんので、違っているかもしれません。
たぶん次のところではないかと思うんですが。

>式 ni=√(Nc*Nv)*exp(-Eg*q/2kT)

上式は、PN積のni^2が一定となると言うことから、平方根をとっているのではないかと推測します。
この式のNcとNvがありますが、これは伝導帯中の電子の密度と価電子帯中のホール密度の定数部分ですよね。

ですが、
>テキ...続きを読む

Qフェルミ準位について教えてください

私の持っている資料にフェルミ準位についてこう書かれていました。

「電子が絶対零度で存在することができる最大エネルギーをフェルミエネルギーと言う」

また教科書には

「フェルミ準位よりも下に位置する準位には電子が存在し、この上にある準位には電子がないようなものと考えて良い」

この考えで、真性半導体についての説明をんで混乱しました。

「価電子帯のすべての準位は電子で満たされている。従って絶対零度における電子の存在確率は価電子帯で1、伝導帯で零となり、存在確率が1/2となる。すなわちフェルミ準位は価電子帯と伝導帯の間に位置することになる。」
以下に教科書の図を示します(手書きで申し訳ありません)

EcとEvの間は禁制帯で電子が存在できないはずなのに、図を見ると、禁制帯の間にフェルミ準位があります。 上の教科書の説明からいくと、EfとEvの間には禁制帯ながら、電子が存在できることになりますが.....これはどういうことでしょうか?

このまま読み進めた結果PN接合のところでさらに混乱してしましました。

長くなってしましましたが、回答宜しくお願いします

私の持っている資料にフェルミ準位についてこう書かれていました。

「電子が絶対零度で存在することができる最大エネルギーをフェルミエネルギーと言う」

また教科書には

「フェルミ準位よりも下に位置する準位には電子が存在し、この上にある準位には電子がないようなものと考えて良い」

この考えで、真性半導体についての説明をんで混乱しました。

「価電子帯のすべての準位は電子で満たされている。従って絶対零度における電子の存在確率は価電子帯で1、伝導帯で零となり、存在確率が1/2となる。すなわち...続きを読む

Aベストアンサー

価電子帯の電子は、エネルギーを受けると伝導帯に遷移することはわかりますね?
また、フェルミ分布関数を考えてみると、フェルミエネルギーの点を原点にすると点対称な関数になっています。

遷移する前とした後の電子の準位の中心は、フェルミエネルギーになっているはずです。
電子がいくつも励起されると、分布関数に従ったエネルギー分布を見せます。
これは価電子帯のホールの分布も同じ形で分布します。
電子の分布をみた場合、価電子帯の上端と、伝導帯の下端の間の中心にフェルミエネルギーがあるような分布をしているということから、フェルミエネルギーはこのような位置になります。(ある種の対称性がある為、中心になります)

ドープ原子がある場合、電子が存在できる準位が禁制帯の中にできてしまう為、電子の存在分布が変わり、フェルミエネルギーが少し上もしくは下に移動することも教科書には書いてあることでしょう。

Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Q正孔の有効質量とは

半導体の教科書に正孔の有効質量と出てきました
正孔は電子がない状態を表すので質量は0ではないのですか?
わかりません

それと、具体的なその値も教えていただければ
うれしいです

Aベストアンサー

有効質量は、ほんとの質量とは全く別物です。
正孔だけではなくて、電子の有効質量も、電子の本当の質量とは、ほとんど関係ないです。

もし、電子が真空中に1個だけ、あって、そこに電界をかければ、ニュートンの古典力学では、
F=qE = ma (q:電子の電荷、m:電子の質量、a:加速度)
という運動方程式になります。

ところで、半導体では、結晶を考えています。
結晶っていうのは、原子が周期的にたくさん並んでいるものです。
この結晶に電界Eをかけたとすると、結晶中の電子(伝導電子)は、電界Eによる力ももちろん受けますが、それだけではなくて、結晶中の電子は、周期的に並んでいる原子核から力(本当は量子力学を考えているので、「力」という言葉を使うのはかなり語弊があるのですが)からも力を受けています。しかも、結晶ですから、原子核は近いのから遠いのまで大量にあります。
なんで、結晶中の電子の運動は、実際には、上に書いたような簡単な式では表わすことができません。

な、はずなんですが、実は、うまいこと近似をすると、結晶の原子核たちから受けている力をすべて忘れてしまって、その代わりに、電子の質量がmではなくて、m'になったと思ったような式
F = qE = m'a
で、結晶中の伝導電子の動きが(近似的にですが)記述できてしまうということがわかったんです。本当は、結晶中のすべての原子を考えて、さらに量子力学を考えなければ、結晶中の伝導電子の動きは記述できないはずなのに、実は、それが、古典力学の式で、質量の値を有効質量というものに取り替えると、近似的には、電子が真空中に1個あるのと同じように扱えてしまう、ということです。これを、準古典力学表示 と言っています。
この有効質量というのは、電子の質量というよりは、むしろ、結晶を構成する原子や、結晶の構造によって決まっています。

で、正孔の有効質量ですが、これも、質量となってますが、本当の質量とはほとんど関係ないです。正孔は、本当は電子が抜けた穴なわけですが、その電子の抜けた穴がどう動いていくかを量子力学をつかってきちんと記述するかわりに、ある有効質量をもった+電荷を持つ正孔という粒子が真空中に1個あると思って、古典力学の式を立てると、たまたま、うまくいってしまうんです。

ただし、この準古典力学は、あくまで近似なんで、本当は正しくありません。正確に言えば、ポテンシャル関数の極値の周りでしか成り立ちません。なんですが、半導体では、普通、価電子帯の中で一番エネルギーが高い電子(ポテンシャル関数が極大値を取るところ)と、伝導帯の中で一番エネルギーが低い電子(ポテンシャル関数が極小値を取るところ)、にしか興味がないことが多いので、たいていうまく行ってしまいます。

有効質量は、ほんとの質量とは全く別物です。
正孔だけではなくて、電子の有効質量も、電子の本当の質量とは、ほとんど関係ないです。

もし、電子が真空中に1個だけ、あって、そこに電界をかければ、ニュートンの古典力学では、
F=qE = ma (q:電子の電荷、m:電子の質量、a:加速度)
という運動方程式になります。

ところで、半導体では、結晶を考えています。
結晶っていうのは、原子が周期的にたくさん並んでいるものです。
この結晶に電界Eをかけたとすると、結晶中の電子(伝導電子)は、電...続きを読む

Q半導体の伝導型判定の方法

物理の基礎実験で半導体のホール測定をするなどして基本的なホール係数、担体濃度など測るなどしました。
それで、磁場、電場をかけてホール係数を測定すると、その正負によりp型またはn型が判定できるのですが、「質問」として半導体の電動型はホール測定をしなくても熱起電力の測定により判定できるがなぜかという問いがあり調べているところです。
半導体の基礎的な特徴は実験でわかったのですが、あまり突き詰めたところはまだわかりません。
わかりやすい説明またはURLの紹介をいただけるとありがたいです。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

d9win さんが主にテクニカルなことを書かれておられますので,
私は少し原理的なことを.

測定というのは,対象物質になにか問いかけをして,
それに対する応答を見ていることになります.
例えば,電圧をかけるという問いかけをして,電流という応答を見れば,
その比例係数がコンダクタンス(電気抵抗の逆数)ということになります.

もう少し詳しく見るなら,
(A) 電圧をかける(問いかけ)
=(1)=>
(B) 担体を動かそうとする力(駆動力)
=(2)=>
(C) 担体が動く
=(3)=>
(D) 担体の動きが電流として検知される
です.

で,担体の符号を変えたときに,
(1)(3)のステップで向きが変わるかどうかを考えればよいのです.
(2)のステップでは力の方向に担体が動きますから,
符号など関係ありません.
普通に電圧 E をかけて電流を流す場合ですと,担体電荷 q の符号を変えると
(1) で符号が変わる(力が F=qE だから)
(3) で符号が変わる(担体が速度 v で動けば,電荷の流れは qv だから)
というわけで2度符号が変わり,結局 q の符号にはよらなくなります.
つまり,電気抵抗を見ていては担体の電荷の符号は判定できません.

では,ホール効果で判定できる理由は?
ホール効果は,電流が流れている状態でさらに磁場をかけます.
つまり(A)が磁場.
ローレンツ力が F = q(v×B) で,上にあるように v も符号を変えますから.
(1) は符号が変わりません.
(3) は当然符号が変わります.
したがって,結果的に符号が変わりますので,
ホール電流(実際はホール電圧として検知しますが)の向きで担体符号の判別ができます.

熱起電力だと?
(A)が温度差,というわけです.
高温部から低温部へ担体が拡散しますので,それは電荷には関係ありません.
つまり(1)は符号を変えなません.
(3) は当然符号が変わります.
したがって,結果的に符号が変わり,
熱起電力の向きで担体の電荷が判定できます.

d9win さんが主にテクニカルなことを書かれておられますので,
私は少し原理的なことを.

測定というのは,対象物質になにか問いかけをして,
それに対する応答を見ていることになります.
例えば,電圧をかけるという問いかけをして,電流という応答を見れば,
その比例係数がコンダクタンス(電気抵抗の逆数)ということになります.

もう少し詳しく見るなら,
(A) 電圧をかける(問いかけ)
=(1)=>
(B) 担体を動かそうとする力(駆動力)
=(2)=>
(C) 担体が動く
=(3)=>
(D) 担体の動きが電流として...続きを読む

Qエクセルで片対数グラフを作る

エクセルで片対数グラフを作る方法を詳しく教えてください。お願いします。

Aベストアンサー

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軸の書式設定(O)→目盛(タブ名)

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