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10.5 : 半導体の基礎

半導体における電流の生成は、基本的にドリフトと拡散という 2 つのメカニズムによって行われます。これらのプロセスは、半導体ベースのデバイスの機能とパフォーマンスに不可欠です。

ドリフト電流:

電荷キャリアのドリフトは、外部電界 (E) によって開始されます。電子や正孔などの荷電粒子は、格子原子との衝突の間に加速を経験します。電子の場合、これによりドリフト速度 (v_d) が次のように表されます:

Equation 1

ここで、μ_e は電子の移動度、E は電界強度です。

電子 (J_n) と正孔 (J_p) のドリフトによる電流密度 (J) は次のように表すことができます:

Equation 2

ここで、q は基本電荷、n と p はそれぞれ電子と正孔の濃度、μ_n と μ_p は電子と正孔の移動度です。総ドリフト電流密度 (J_total) は、電子と正孔の電流密度の合計です:

Equation 3

伝導率 (σ) は、各キャリアの電荷密度と移動度の積の合計です:

Equation 4

拡散電流:

拡散は、キャリアの熱運動により発生し、高濃度領域から低濃度領域に動きます。電流密度 (J_diffusion) は次のとおりです:

Equation 5

D_n と D_p は、それぞれ電子と正孔の拡散係数で、dn/dx と dp/dx は、電子と正孔の濃度勾配です。

アインシュタインの関係式は、電子と正孔の両方の移動度と拡散係数を結び付けます:

Equation 6

ここで、k はボルツマン定数、T は絶対温度です。

電界と濃度勾配の両方が存在する場合、総電流密度はドリフト成分と拡散成分の合計になります。実際のアプリケーションでは、これらの現象は半導体方程式、つまり半導体内の電荷キャリアの挙動を記述する一連の微分方程式を使用して分析されます。

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SemiconductorsDrift CurrentDiffusion CurrentCharge CarriersElectron MobilityElectric FieldCurrent DensityConcentration GradientsDiffusion CoefficientsEinstein RelationsSemiconductor EquationsThermal MotionConductivity

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