半導体レーザーの基礎と実際

Si原子の1個を，P（リン）原子で置き換えたとしましょう（図6（a））。P原子は周期表のV属に属する元素で，結合に関与できる5個の電子を持っています。P原子が隣接するSi原子と結合するのに，4個の電子しか必要ありません。

その結果，結合には関与しない1個の電子が余ることになります。この1個の電子は結合に関与しませんので，エネルギー値から言えば，伝導帯内に存在することになります。このときのエネルギー準位を描いたのが図6（b）です。伝導帯の中に，電子が存在していますので，Si原子しか含まれないときより，電流は流れやすくなっています。

P原子のエネルギーは，シリコン結晶の伝導帯の底近くの値を持っています。このP原子から1個の電子が伝導帯に上がり，残ったP原子は正にイオン化している（図では，抜け穴が描いてあり，電荷が正であることを示しています）。電流の流れの基が電子ですので，n（負：negative）型半導体と呼ばれています。ここで，電子を与える原子を与える，という意味のドナーと呼んでいます。

図7（a）は，Si原子の位置にIII属元素であるB（ホウ素）原子が存在する場合を描いてあります。III族原子は結合に関与できる3個の電子を持っています。したがいまして，近隣のSi原子との結合に必要な電子が1個不足します。このB原子は，シリコン結晶の価電子帯から1個の電子をもらうことによって，結合を完結することができます。

その結果，電子の抜け穴である正孔が，価電子帯の中にできます。このB原子は電子を受け取って負に帯電することになります。この場合の電流の流れの基が正孔ですので，p（正：positive）型半導体と呼ばれています。ここで，電子を受け取る原子を受ける，という意味のアクセプターと言います。

これらの半導体は，Si原子以外の原子が不純物として入ることで電気が流れるので不純物半導体と呼ばれています。ところが，シリコンは光を出さない半導体の代表選手なのです。光を出すためには一工夫が必要なのです。次回は，この点についてお話しします。