1.1 バンド構造とキャリア
1.1 Band Structure and Carriers
🎯 本節のねらい｜Objective
MOSトランジスタの動作を理解するには、
半導体のバンド構造とキャリアの挙動を正しく捉える必要があります。
To understand how MOS transistors work, it’s essential to grasp the
band structure of semiconductors and the behavior of charge carriers.
🔹 エネルギーバンド構造の基本｜Basic Band Structure
半導体は、以下のようなエネルギーバンド構造を持ちます：
Semiconductors exhibit the following band structure:
- 価電子帯（Valence Band）：電子で満たされている
Valence Band: Fully occupied by electrons - 伝導帯（Conduction Band）：電子が自由に移動可能
Conduction Band: Electrons can move freely - 禁制帯（Band Gap）：電子が存在できない領域
Band Gap: No electron states exist here
📘 図1.1-1：真性半導体のエネルギーバンド構造
Figure 1.1-1: Intrinsic Semiconductor Band Diagram
- 真性半導体では、フェルミ準位（Ef）が中央に位置します
Fermi level (Ef) lies midway between valence and conduction bands. - 温度上昇により、少数の電子が伝導帯へ励起されます
As temperature increases, electrons are thermally excited to the conduction band.
🔹 キャリアの種類と移動｜Types and Motion of Carriers
| キャリア | 意味 | 英語表記 |
|---|---|---|
| 電子 | 伝導帯に存在する負電荷キャリア | Electron |
| 正孔 | 価電子帯の空席に相当する正電荷キャリア | Hole |
キャリア移動には次の2要因があります：
Carrier motion is governed by two mechanisms:
- 拡散（Diffusion）：濃度勾配により拡がる
Driven by concentration gradient - ドリフト（Drift）：電界によって加速される
Driven by electric field
🔹 ドーピングとn型・p型半導体｜Doping and Carrier Types
ドーピングにより、半導体のキャリアを制御可能です。
Doping introduces impurities to control carrier types:
| 型 / Type | ドーパント / Dopant | 主キャリア / Majority Carrier | フェルミ準位の変化 / Fermi Level Shift |
|---|---|---|---|
| n型 | P, As, Sb | 電子 / Electron | Ef → Conduction Band に近づく |
| p型 | B, Al, Ga | 正孔 / Hole | Ef → Valence Band に近づく |
🔸 周期表で見るドーピング元素｜Doping Elements in the Periodic Table
シリコン（Si）は周期表の第4族元素であり、
その隣接族（第3族と第5族）の元素がドーパントとして利用されます。
| 第3族（受容体） - p型 | 第4族（ホスト） | 第5族（供与体） - n型 |
|---|---|---|
| B（ホウ素） | Si（シリコン） | P（リン） |
| Al（アルミニウム） | Ge（ゲルマニウム） | As（ヒ素） |
| Ga（ガリウム） | C（炭素） | Sb（アンチモン） |
📘 第3族は価電子3個 → 正孔を供給（受容体）
📘 第5族は価電子5個 → 電子を供給（供与体）
📘 図1.1-2：ドーピングによるバンド構造の変化
Figure 1.1-2: Band Structure of Doped Semiconductors
🔹 キャリア密度と温度・光の影響｜Carrier Density and External Effects
🔸 熱励起とキャリア密度｜Thermal Excitation
- 真性キャリア密度（ $n_i$ ）は次式に従って温度依存：
- 実用的には、ドーピングによる外因性キャリア濃度が支配的です
In practice, extrinsic carrier concentration dominates due to doping.
🔸 光励起によるキャリア生成｜Photo-Generated Carriers
光のエネルギー $h\nu$ がバンドギャップ $E_g$ を超える場合、
電子が価電子帯から伝導帯へ励起され、キャリア対（電子＋正孔）が生成されます。
If photon energy $h\nu$ exceeds the bandgap $E_g$,
an electron-hole pair is generated via photo-excitation:
-
この効果は、太陽電池・光センサ・フォトダイオードなどに活用されています
This is the basis for solar cells, photodiodes, and optical sensors. -
一方、不要な光励起（外乱光）は、リーク電流やノイズ源となるため、
回路・デバイス設計では遮光構造やパッケージ対策が行われます。
🔹 熱と光が半導体製品に与える影響
Impact of Heat and Light on Real Semiconductor Devices
✅ 熱（kT）の影響｜Thermal Effects
-
キャリア密度の増加：
高温になると $n_i$ が増加 → リーク電流や逆バイアス電流が増大 -
待機電力・誤動作の要因：
Ileak や Ioff が増えることで、ICの静的消費電力が悪化 -
信頼性劣化：
高温ストレスによる TDDB, EM, HCI などの加速故障が問題に
✅ 光（hν）の影響｜Photonic Effects
-
光励起キャリアによる誤動作：
EHP（電子正孔対）が生成 → 回路に不要な電流が流れる -
HVデバイスで顕著：
空乏層が深く、光が内部まで到達しやすいためリークや感度が増大 -
遮光設計が必須：
黒封止材・メタル遮蔽・光吸収トレンチなど、製品ごとの光対策が必要
📝 実務での位置づけ｜Design Considerations
| 項目 | 熱（kT） | 光（hν） |
|---|---|---|
| 主な影響 | リーク電流増加、信頼性劣化 | 光励起リーク、誤動作、ラッチアップ |
| 特に影響を受ける製品 | アナログ回路、車載IC、センサ | HV CMOS, パワーIC, イメージセンサ |
| 主な対策 | 動作温度保証、熱設計 | 遮光設計、光耐性パッケージ、封止材選定 |
✅ まとめ｜Summary
- 半導体バンド構造は、PN接合やMOS構造の基本
Band diagrams are foundational for PN junctions and MOSFETs. - ドーピングにより、キャリアの種類・濃度を制御可能
Doping controls both the type and density of carriers. - 熱と光はキャリア生成に影響し、製品の動作や信頼性を左右する
Heat and light affect carrier generation and device behavior. - 次節では、PN接合の形成と電位差に焦点を当てます
The next section will focus on PN junction and built-in potential.
📎 次節リンク｜Next Section: 1.2_pn_junction.md