不純物半導体の真空準位について

質問

いまさらの質問なのですが、、

P型半導体とN型半導体を接合するとバンドが曲がりますよね？
フェルミ準位を合わせるようにキャリアが移動するためなのは理解できます。

そうすると、外部電界が印加されていない状態では、真空準位からフェルミ準位までのエネルギーは変わらないと思いますので、P型とN型では真空準位から伝導帯端までのエネルギーが異なるということでしょうか？

この理解は合っていますか？だとするとそれは何故なのでしょうか？同じSiの結晶構造なのに、ポテンシャルがずれるのでしょうか？

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回答No.2

semikuma

これを書いている時点で画像は「※削除されたかご覧頂くことができません。」と表示されて見ることができませんが、ごめんなさい、私も少し勘違いしていました。

真空準位から伝導帯端までのエネルギー(つまり電子親和力)はいつでも同じです。
PN接合などのバンド図はそれぞれの相対的な電位を示しており、バンドが曲がっているときは、真空準位も下の図のように平行に曲がって示されます。

PN接合でバンドが曲がる原因は、電子と正孔の再結合により、空乏層内にイオン化したドナーやアクセプタによる空間電荷が生じるためです。
P型層を例に取ると、空乏層内ではイオン化したアクセプタの負の空間電荷が現れるため、電位は図の上方へ移動します。
これはN型層内の電子に対して斥力となるため、フェルミレベルが一致した時点で再結合は停止します。
P層に負の電圧を加えると、電位がますます上昇するため電流は流れませんが、
正の電圧を加えると、負の空間電荷が打ち消されて電位が下がるため、N型層から電子が拡散してきて電流が流れます。

＿＿＿＿
　　　　　　　＼
　　　　　　　 　＼
　　　　　　　 　　 ＼＿＿＿＿　真空準位

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　　　　　　　 　＼　　←電子
　　　　　　　 　　 ＼＿＿＿＿　伝導帯
－－－－－－－－－－－－－－－　フェルミレペル
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　正孔→　　 ＼
　　　　　　　　 　＼＿＿＿＿＿　価電子帯

回答No.1

semikuma

ちょっと違います。
フェルミ準位とは、電子の存在確立が0.5となる準位です。
P型半導体とN型半導体が孤立した状態では、真空準位から伝導帯端までのエネルギー(つまり電子親和力)は同じです。
これらを接合したときに、電子と正孔とが再結合するため、N型半導体では電子が欠乏してフェルミレベルは低下し、電子親和力(つまり電子を引きつける力)が増加します。
P型半導体では電子が過剰となってフェルミレベルは上昇し、電子親和力が低下します。
つまり、フェルミレベルが一致しない状態ではP型半導体はN型半導体から電子を奪おうとする力が働きますが、N型半導体のフェルミレベルが下降することでそれを阻止しようとする力が働き、両者のバランスの取れた状態で(つまりフェルミレベルが一致したとき)再結合は停止し(たように見え)ます。

お礼

早速のご回答ありがとうございました。
お礼が遅くなり、申し訳ございません。

キャリアの移動に伴って、フェルミ準位が変わることは理解できました。
ただし、やはり釈然としないところがありまして、
質問に図を追加しました。
図1と図2のどちらの描像が正しいのでしょうか？