半導体のエネルギーバンド図：価電子帯・伝導帯・禁制帯

前回の解説ではキャリアの動き方を見てきました。しかし、半導体ではキャリアはどこでも自由に動けるわけではありません。

トランジスタ：キャリア移動を制御する素子

同じ半導体なのに、なぜ電流が流れる場合と流れない場合があるのでしょうか？言い換えれば、どうやってキャリアの移動を制御しているのでしょうか？

半導体のキャリアとは何か：電子・正孔・移動度とは

キャリアの移動とエネルギー

坂のイメージで考えると、平坦な領域ではキャリアは自由に移動できますが、十分なエネルギーがなければ、坂を越えることはほとんどできません。

トランジスタでは、外部から加えた電圧によって、半導体中のエネルギーの分布（地形）を変化させ、キャリアの移動、すなわち電流の流れる・流れないを制御しています。

では、この「エネルギーの壁」は、半導体の中でどのように表現されているのでしょうか？

エネルギーバンド図(バンド図)とは

半導体・トランジスタにおける「エネルギーの壁（障壁）」は、エネルギーバンド図（バンド図）によって表現されます。

エネルギーバンド図では、縦方向がエネルギーの高低を表します。キャリアは、エネルギー的に「許された領域」にしか存在することができません。

このとき

• 電子が存在でき、束縛された状態にある領域：価電子帯（Ev）
• 電子が存在でき、自由に移動できる状態にある領域：伝導帯（Ec）
• 電子が存在できない(エネルギー状態を持てない)領域：禁制帯（バンドギャップ）

と呼びます。

• n型半導体の場合

伝導帯に存在する電子が連続的に移動できる場合に電流が流れる。伝導帯の途中にエネルギーの壁(坂)が形成されると、 電子はそれを越えられず、電流は流れにくくなる。

• p型半導体の場合

価電子帯中の正孔が連続的に移動できる場合に電流が流れる。価電子帯の途中にエネルギーの壁(坂)が形成されると、 正孔の移動は妨げられ、電流は流れにくくなる。

半導体のバンド理論とバンドギャップ

半導体の電気的性質：p型半導体とn型半導体

このように、半導体中の電流は「どのエネルギー帯を、どのキャリアが連続して移動できるか」によって決まります。

では、トランジスタでは、このエネルギーの壁をどのように作り、電圧によってその壁をどのように動かしているのでしょうか。次節で解説します。