バンドギャップとは？導体・半導体・絶縁体の違いとSi・SiC・GaNを比較

結論：バンドギャップとは、電子が存在する価電子帯と、電流を運べる伝導帯との間にあるエネルギー差である。バンドギャップの大きさによって、材料が導体・半導体・絶縁体のどれに近い性質を持つかが決まり、耐圧、漏れ電流、動作温度、発光波長などにも大きな影響を与える。

バンドギャップとは

バンドギャップ（Band Gap）は、固体中の電子が取り得るエネルギー帯の間に存在する、電子が通常存在できないエネルギー領域である。単位には電子ボルト（eV）が使われる。

半導体物理では、主に次の2つのエネルギーバンドを考える。

• 価電子帯：原子同士の結合に関与する電子が存在する領域
• 伝導帯：電子が材料中を移動し、電流を運べる領域

価電子帯の上端から伝導帯の下端までのエネルギー差がバンドギャップである。

バンドギャップと電気の流れやすさ

電子が価電子帯から伝導帯へ移ると、自由に移動できる電子と、その抜けた跡である正孔が生まれる。これらがキャリアとして電流を運ぶ。

バンドギャップが小さいほど電子は伝導帯へ移りやすく、電気が流れやすい。バンドギャップが大きいほど、電子を励起するために大きなエネルギーが必要になる。

導体・半導体・絶縁体のバンド構造

代表的な半導体材料のバンドギャップ

SiCとGaNはシリコンより大きなバンドギャップを持つため、ワイドバンドギャップ半導体と呼ばれる。詳しくは、SiCとGaNは何を変えるのかも参照してほしい。

ワイドバンドギャップ半導体の利点

バンドギャップが大きい材料は、熱によって電子が勝手に励起されにくい。そのため、高温でも漏れ電流を抑えやすく、強い電界にも耐えやすい。

• 高耐圧化しやすい
• 高温動作に適する
• 漏れ電流を抑えやすい
• 高周波スイッチングに適する
• 電力変換損失を低減しやすい

この特徴から、SiCはEVのインバータや急速充電器、GaNは小型充電器、通信基地局、データセンター電源などで利用が広がっている。

バンドギャップと温度の関係

多くの半導体材料では、温度が上昇するとバンドギャップはわずかに小さくなる。同時に、熱エネルギーによって価電子帯から伝導帯へ励起される電子が増えるため、真性キャリア濃度が増加する。

シリコンデバイスの高温動作で漏れ電流が増える理由の一つが、このキャリア増加である。

バンドギャップと光の関係

光子のエネルギーがバンドギャップ以上になると、価電子帯の電子が伝導帯へ励起される。この現象は、フォトダイオード、イメージセンサー、太陽電池などの動作原理に使われる。

逆に、伝導帯の電子と価電子帯の正孔が再結合すると、エネルギーが光として放出される場合がある。LEDや半導体レーザーは、この発光現象を利用する。

直接遷移型と間接遷移型

バンドギャップには、電子が光だけで遷移しやすい直接遷移型と、格子振動の助けを必要とする間接遷移型がある。

• 直接遷移型：GaAs、GaNなど。発光デバイスに適する
• 間接遷移型：Si、Ge、SiCなど。一般に発光効率は低い

ドーピングでバンドギャップは変わるのか

通常のドーピングでは、材料本来のバンドギャップそのものを大きく変えるというより、禁制帯内にドナー準位やアクセプタ準位を形成し、フェルミ準位とキャリア濃度を変化させる。

半導体の導電性を制御する具体的な工程は、イオン注入とはで解説している。

バンドギャップがデバイス設計を左右する理由

バンドギャップは、単なる材料データではない。耐圧、オン抵抗、漏れ電流、温度特性、光応答、発光波長といったデバイス特性の出発点になる。

ロジック半導体ではシリコンの製造成熟度が圧倒的だが、パワー半導体や光半導体では、用途に応じてSiC、GaN、GaAsなど異なるバンドギャップ材料が選ばれる。

関連用語

• 導体とは
• 絶縁体とは
• フェルミ準位とは
• キャリアとは
• シリコンウェーハとは
• ボロンドーピングと抵抗率の関係

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