半導体として使われる物質は、主に「共有結合でできた結晶」です。
中でも代表的なのが「シリコン（Si）」です。

シリコンは安定した結晶構造を持ち、加工性が高く、
地球上に豊富に存在することから、半導体の主流素材となっています。

その他の主要材料：
・ゲルマニウム（Ge）
・ガリウムヒ素（GaAs）
・炭化ケイ素（SiC）
・窒化ガリウム（GaN）

純粋なシリコン（真性半導体）は、通常ほとんど電気を通しません。
それは、すべての電子が結合していて、動ける電子がないからです。

しかし、ほんのわずかに「不純物」を加えることで、
導電性を大きく変化させることができます。
この技術を「ドーピング（Doping）」と呼びます。

ドーピングとは、シリコン結晶に「わずかな異物原子（不純物）」を混ぜて、
電子の数を増やしたり、電子の抜けた穴を作る技術です。

添加する不純物の種類によって、2つのタイプの半導体ができます。

・N型半導体（Negative Type）
・P型半導体（Positive Type）

N型半導体は、シリコンに「リン（P）」や「ヒ素（As）」などを加えて作ります。

これらの原子は電子を5個持っており、
シリコンの4個と結合すると、1個の電子が余ります。
この余った電子が自由に動けるため、電流が流れやすくなります。

つまり、電子がキャリア（運び手）となる半導体が「N型」です。

P型半導体は、シリコンに「ホウ素（B）」や「アルミニウム（Al）」を加えて作ります。

これらの原子は電子を3個しか持たないため、
シリコンと結合すると「電子が1個足りない穴（正孔）」ができます。

この穴（ホール）が電子の代わりに動くように振る舞い、
電流が流れるようになります。

つまり、正孔がキャリアとなる半導体が「P型」です。

ドーピングは、ほんのわずか（数十ppm〜数百ppm）の添加でも、
電気特性を大きく変える繊細な工程です。

製造プロセスでは「イオン注入」や「熱拡散」などの方法で、
ナノメートル単位の精度で制御されています。

→ これにより、「どこに」「どれだけ」不純物を入れるかで、デバイスの性能が決まります。

P型とN型を隣り合わせにすると「PN接合」ができます。
これがダイオードやトランジスタの基本構造です。

・電流は一方向にしか流れない（整流作用）
・電圧をかけるとON/OFF制御が可能になる

この仕組みが、スマートフォンから宇宙ロケットまで、
あらゆる電子機器の中で使われています。

温度が上がると、真性キャリア（自然に励起した電子・正孔）が増えます。
しかしドーピングされた半導体では、
不純物由来のキャリアが圧倒的に多いため、
室温程度では温度の影響をあまり受けません。

つまり、ドーピングによって安定した動作が得られます。

・微細化が進むと、1個の原子の位置が性能に影響するほど敏感になる。
・極薄層での不純物拡散の制御が難しい。
・量子効果によるトンネル現象の影響が増大。

→ 今後は「原子1個レベルで制御する技術」や「新材料ドーピング」の研究が重要。

・純粋なシリコンは電気をほとんど通さない。
・不純物（リン・ホウ素など）を加えることで電気特性を変えられる。
・電子がキャリア → N型、正孔がキャリア → P型。
・P型とN型を組み合わせるとPN接合ができ、すべての半導体デバイスの基礎となる。

１．ドーピングとは何か？

２．N型半導体のキャリアは何か？

３．P型半導体のキャリアは何か？

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。