n型半導体とは
n型半導体とは、結晶構造をもつ半導体にドナー（電子を供給する不純物）を添加し、自由電子を多数キャリアとして生成させた半導体である。代表的にはシリコン基板にリンやヒ素などの元素をドーピングすることで形成される。これにより伝導帯近くのエネルギー準位に電子が存在しやすくなり、通常よりも多くの自由電子が電流の担い手となる。バンドギャップ内の不純物準位が電子を供給するため、少量の添加でも電子濃度は大きく変化し、電気伝導特性を制御する基礎技術となっている。
ドーピングとキャリア生成
半導体の電気伝導を高めるためには、不純物添加（ドーピング）が不可欠である。n型半導体ではドナー原子が余分な電子を放出し、結晶中の自由電子濃度を増加させる。このとき多数キャリアは電子であり、少数キャリアは正孔（ホール）となる。具体的には結晶格子を乱さない程度の濃度でドナーを導入し、主に伝導帯付近へ電子を供給させることで導電率を向上させる仕組みである。
代表的なドナー元素
シリコン（Si）の場合、原子価が5価のリン（P）やヒ素（As）、アンチモン（Sb）などが一般的なドナー元素として用いられる。これらの原子はシリコン格子中で4つの共有結合を形成した際に1つの価電子が余り、結晶内に遊離電子を提供する。n型半導体の結晶成長やデバイス製造では、このような不純物添加量を高精度に制御することで、所望の電気的特性を引き出す工程が重要となる。
伝導帯と不純物準位
n型半導体を考える際にはバンド理論がよく用いられる。価電子帯と伝導帯の間にバンドギャップがあり、ドナーの不純物準位は伝導帯のごく近くに配置される。そのため熱エネルギーやわずかな外部エネルギーによって電子が容易に伝導帯へ励起され、電流の担い手となる。これにより常温付近でも高いキャリア濃度が得られ、抵抗率が低下する。バンド図でみると不純物準位が伝導帯から極めて小さなエネルギ差で配置される点が特徴である。
多結晶やアモルファスの場合
結晶シリコン以外の多結晶シリコンやアモルファスシリコンでも、n型半導体を形成することは可能である。ただし結晶欠陥が多いため、ドーピングを行っても電子が結晶欠陥に捕捉されやすく、単結晶シリコンほどの高い移動度やキャリア濃度は得にくい。こうした材料ではキャリアのライフタイムや拡散特性も異なるため、デバイス設計では不純物添加濃度だけでなく結晶品質の向上に向けた工夫が求められる。
製造プロセスとイオン注入
- イオン注入法：高エネルギーでドナーイオンを半導体基板に打ち込み、その後アニール（熱処理）によって結晶格子に取り込む。
- 拡散法：高温下でドナー源を基板表面から拡散させることで不純物を取り込む。
- エピタキシャル成長：成長中にドーピングガスを導入し、層を積み上げながら濃度制御を行う。
温度特性とキャリア濃度
- 常温付近：不純物準位が伝導帯に非常に近いため、ほとんどのドナーがイオン化される。
- 高温域： intrinsicキャリアが増加し、n型半導体特有の多数キャリア優位性が薄れることもある。
- 低温域：電子の熱励起が減少し、抵抗が上昇しやすくなるが、それでも不純物準位が浅いためある程度のキャリアは確保される。
デバイス応用
半導体デバイスでは、ソースやドレイン領域をn型半導体で形成して高伝導性を確保する例が多い。またダイオードの接合部の一方にn領域を設け、もう一方にp領域を形成してpn接合を構築する。トランジスタではnMOSFETやバイポーラトランジスタ（NPN）のエミッタやコレクタ部分などにn領域が使われ、オン抵抗低減や高速応答を実現している。このようにn型領域は回路動作において電子輸送を担う重要なパートを担っている。
p型半導体との比較
n型半導体が自由電子を多数キャリアとするのに対し、p型半導体は正孔（ホール）が多数キャリアとなる。ドーピングする不純物がアクセプタ（ホウ素やガリウムなど）となる点が決定的に異なる。電子の移動度は一般的にホールより高いため、同じドーピング濃度であればn型のほうが高い導電性を示す場合が多い。デバイス設計ではこれらの性質を組み合わせて最適な特性を得られるよう工夫される。
実用上の注意点
不純物濃度が過度に高くなると、結晶格子の歪みや相互干渉により転位や欠陥が増え、逆にキャリア移動度が低下することがある。さらに表面近傍の高濃度ドーピング層では接触抵抗を下げられる反面、ジャンクション深さやデバイス寸法の制御がシビアになる。こうした要件をバランスよく満たすために、イオン注入のエネルギー制御やアニール条件の最適化が重要視されている。