不純物をドープした半導体 • 不純物準位 水素様原子モデル 誘電率 ε0→ε 質量 m→me →mh N型 . As＋ 電子 Ⅴ族不純物 P,As Ⅳ族 半導体 （Si,Geなど) P型 ホール （正孔） B－ Ⅲ族不純物 B 演習１ 水素様原子のエネルギー準位を求めよ 前期量子論的でOK 演習２ さて常温でこの半導体中の水素様原子は電離 しているか？ 検討を加えよ ｋT/e =１．３８×１０-２３ ・３００/１．６×１０-１９＝２６ｍｅＶ 不純物をドープした半導体 • 不純物準位 水素様原子モデル 誘電率 ε0→ε 質量 m→me →mh N型 . As＋ Ⅴ族不純物 P,As Ⅳ族 半導体 （Si,Geなど) P型 • 不純物をドープした半導体の キャリアー密度 ～ドープ量 （不純物はほ とんど電離している） 電子 ホール （正孔） B－ Ⅲ族不純物 B 主要半導体の定数 結晶 Eｇ（eV） ０K 有効質量 ３００K me/m C 5.4 Ge 0.75 0.67 0.1 Si 1.20 1.11 InSb 0.26 InP GaAs mh/m 移動度 電子 （cm2/V・ｓ） 正孔 ε/ε0 1800 1200 0.04 4500 2000 16.0 0.2 0.16 1600 600 12.0 0.16 0.012 0.25 78000 - 15.9 1.29 1.35 0.073 ~0.2 4600 - 12.1 1.52 1.43 0.07 0.6 7000 300 11.5 AgBr 2.69 0.289 1.71 60 1.1 AgCl 3.25 50 - ＋∞ 有効質量という概念 自由電子 ＋∞ 箱型ポテン シャル 結晶原子の つくる周期 的ポテンシャ ル 電子の波と 周期的ポテ ンシャルの共 鳴 PN接合 接合形成 キャリアーの拡散 再結合 固定電荷の露出 拡散阻止 平衡状態 演習３ 接合の固定電荷むき出 し部での電場を求めよ 固定電荷の個数密度 P: ND N: NA PN接合は無限の広さを 持つものとする。 演習４ ポテンシャルの形を求めよ Ⅰ 純度の高い結晶（ウエハー）を用意 酸化膜をつけたりフォトレジストをつけたり して不純物のウエハーへの拡散を制御 不純物をガス状にして供給し 熱拡散させる PN接合のみならずPNP、NPN接合も作れ る 微細加工可能（サブミクロン） PN接合の作り方 Ⅱ 純度の高い結晶（ウエハー）を用意 酸化膜をつけたりフォトレジストをつけたり して打ち込まれるイオンのバリアーを作る 不純物イオンを加速し打ち込む 高温（～１０００度）で発生した結晶欠 陥を焼きなます PN接合の作り方 エピタキシャル成長 純度の高い結晶（ウエハー）を用意 ガスを反応させ、別の不純物を持つ結晶 層を全面に成長させる。 名大はIC技術を用いた半導体放射線検出器 発祥の地 LHC 大型ハドロンコライダー への応用を模索 ガンマー線望遠鏡への 応用を模索 （田島） GLAST Fermi 日本初のマイクロストライプ型 SSD 1982 SSD R&D Collaboration with HAMAMATSU Photonics Co. Ltd. 浜松ホトニクス が初めて実用化 したSSD 1985年 中村のD論 Hybrid Emulsion for B Fermilab E653 (1985－1995） 800GeV Proton 600GeV Pion Tool :Emulsion tape 800GeV proton 600 GeV pion 20 B-Bbar pairs were observed in Fermilab E653 Phys.Lett. B303 (1993) 359-367 , Prog.Theor.Phys. 89 (1993) 679-696 変な半導体 • ハロゲン化銀（ＡｇＢｒ、ＡｇＣｌ、ＡｇＩ） 結晶格子の間をＡｇ＋イオンが自由に動ける。 結晶の表面に意図的に格子欠陥を作り、発 生した電子を効率的に固定する。 不純物順位の例：ハロゲン化銀 （AgBr)中の銀クラスター π中間子の 発見 ノーベル賞 チャーム 1971 Muon Sweeping Magnet TEVATRON Iron/Pb Shield Tungsten Beam Dump 1m long Emulsion- Scintillating Fiber Hybrid Target DONUT Prompt Neutrino Beam 参考文献 • 霜田光一、桜井捷海共著 「エレクトロニクスの基礎」（新版） 出版社 裳華房 以下は絶版です。図書館にはあると思います。内容を見て類似の文献を探してくださ い。 • オックスフォード物理学シリーズ16 「半導体素子の物理」 （絶版） 出版社 丸善 • アムノン・ヤリフ 「量子力学の基礎と応用」（絶版） 出版社 ワイリージャパン • C.F.G Delaney, "Electronics for the Physicist", John Wiley&Sons. (絶版）
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