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1.1 バンド構造とキャリア

MOSトランジスタの動作を理解するためには、その基盤である半導体のエネルギーバンド構造とキャリア（電子・正孔）の振る舞いを知ることが不可欠です。本節では、真性半導体とドーピングによるn型・p型半導体の違いを、バンド図とともに解説します。

🔹 エネルギーバンド構造の基本

半導体は、エネルギー的に以下のような構造を持ちます：

価電子帯（Valence Band）：電子で満たされている
伝導帯（Conduction Band）：電子が移動可能な空間
禁制帯（バンドギャップ）：通常電子が存在できないエネルギー領域

図1.1-1：真性半導体のエネルギーバンド構造

真性半導体では、フェルミ準位（Ef）は価電子帯と伝導帯の中間にあります。
温度が上がると、価電子帯から少数の電子が励起されて伝導帯へ移動します。

🔹 キャリアの種類と移動

電子（Electron）：伝導帯に存在、負電荷キャリア
正孔（Hole）：価電子帯に生じる空席、正電荷キャリア

これらのキャリアは、以下の2つの力で移動します：

拡散（Diffusion）：濃度差によりキャリアが広がる
ドリフト（Drift）：電界によりキャリアが移動する

🔹 ドーピングとn型・p型半導体

半導体に微量の不純物を加えることで、キャリアの性質を制御できます。

型	ドーパント	主キャリア	フェルミ準位の変化
n型	P, As, Sb	電子	Efが伝導帯に近づく
p型	B, Al, Ga	正孔	Efが価電子帯に近づく

図1.1-2：n型・p型半導体のバンド構造とフェルミ準位の違い
![図1.1-2 ドーピングによるバンド構造変化](../images/band_diagram_doped.png)

🔹 キャリア密度と温度依存性（参考）

キャリア密度は温度・バンドギャップ・ドーピング濃度に依存
真性キャリア密度：
\[n_i \\propto \\exp\\left(-\\frac{E_g}{2kT}\\right)\]
実用的には、ドーピングにより支配される領域（外因的キャリア）が重要

✅ まとめ

半導体のバンド構造は、MOS構造やPN接合の理解における出発点
ドーピングによりキャリアの種類・量を制御可能
この物理的背景が、後のPN接合（次節）やMOS構造（1.3節）に直結する

📎 次節：1.2_pn_junction.md