p型半導体

質問

n型半導体においては、簡単に言ってしまうと、バンド図で考えて、低温付近ではフェルミ準位が伝導帯付近に存在し、温度増加につれて減少してゆき、中温付近では急激に減少し、高温付近ではフェルミ準位はほぼ禁制帯の真ん中に位置していると学びました。

そこで、質問なのですが、p型半導体の場合はフェルミ準位はどうなるのでしょうか？
低温付近では荷電子帯のすぐ上に位置し、温度上昇にしたがって準位が上昇していき、中温付近で急激に上昇し、高温付近ではほぼ禁制帯の真ん中に位置するという考えで正しいでしょうか？
ご指南お願いいたします。

回答No.2

leo-ultra · ベストアンサー

＃１さんは勘違いをされていると思います。フェルミ準位は温度変化します。

例えば、久保亮五先生の大学演習熱学・統計力学に載っています。
（＃１様参照された物理のかぎしっぽとどっちを信じるかといったら久保先生でしょう？）

質問に対する回答ですが、質問者の方の考え方で正しいと思います。

ｎ型でフェルミ準位が伝導帯付近（つまりドナー準位より上）にあることは、
低温すぎてドナーから電子が供給されないで高抵抗にあることに対応します。

ｐ型ならばフェルミ準位が価電子帯付近にあるため、正孔が供給されません。

それが温度が上がるとｎ型の場合はドナー準位より下にきて、ほぼ100％電子を供給するようになり、
ｐ型の場合はアクセプタ準位より上にきて、100％正孔を供給します。

さらに高温になると、バンドギャップを介しての熱励起が可能になり、
不純物半導体から真性半導体に変わり、フェルミ準位がバンドギャップのほぼ真ん中へきます。

お礼

ご解答ありがとうございます。
おかげさまで、納得できました！

回答No.1

anju825

質問者さんのおっしゃっているフェルミ準位がどういう意図で使っているかわかりませんが、フェルミ準位は基本的に温度で変わることはなかったはずです。
温度が高くなるとフェルミ関数が0～1のあいだで幅のある裾を持つので、この関数と物質の状態密度(or分子なら準位)との掛け合わせで電子がいる・いないを計算します。
そのため、n型半導体は伝導体の下部(Ec)とドナー準位(Ed)の間に存在し、p型半導体は価電子帯の上部(Ev)とアクセプタ準位(Ea)の間に存在します。(これらは質問者さんの低温付近の時のイメージでいいと思われます。)

上記の話に出てきたフェルミ関数は↓のサイトで書かれています。
「物理のかぎしっぽ」
http://hooktail.sub.jp/solid/shino-PNI-typeSemiconductor-upper/
またイメージをわかりやすくするために↓のサイトも見られるといいかもしれません。
「半導体デバイス物理」の不純物ドープとn型p型半導体
http://kccn.konan-u.ac.jp/physics/semiconductor/top_frame.html

お礼

ご解答ありがとうございます。
参考にさせていただきます。