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半導体って何?

【半導体は導体と不導体の中間】
 半導体とは、金、銅、アルミニウム、鉄など、金属系の物質のように電気を通す導体やゴムや、ガラス、プラスティック、 油など電気を通さない不導体(絶縁体)に対して、それらの中間的な性質を示す物質でゲルマニウムやケイ素(シリコン) のように周囲の電流を流す向きや温度によって電気を通す度合いが変化するものを指します。

 この性質は工業上極めて重要で、ダイオードやトランジスタといった半導体素子、あるいはその集積体である ICやLSIといったものはこの半導体の性質を利用して作られています。

 また、半導体は大きく分けてゲルマニウムやケイ素のように単体で半導体になる真性半導体と、 これらのものに不純物を添加した不純物半導体があり、一般的に半導体と呼ばれ、エレクトロニクス機器 に広く利用されているのは後者の方です。

【電子素子としての半導体】
 電流は電子の流れであるため、自由に動ける電子をたくさんもつ鉄などの導体には電流が流れます。 しかし、純粋なゲルマニウムやシリコンには自由に動き回れる電子がほとんどないため、電圧をかけてもほとんど 電気は流れず、不導体に近い性質をもっています。

 しかし、リンなどのような価電子(原子内の最外殻の電子殻をまわっていて、原子核との結合力が弱い電子のこと) の数が多い元素を不純物として微量添加させることにより原子間の結合に用いられず余った電子が結晶の中を自由に動き回り、 導体のような性質に変わります。

 例えばシリコンは価電子をL殻に4個もち、リンは価電子を5個もっており、シリコンとリンの安定した結合には L殻に8個の電子が必要となりますが、1個多くなることになります(電子と電流参照)。 このような不純物が入ったものをn(negative)型半導体と言います。

 逆にシリコンにインジウムなどのような価電子の数が少ない(価電子数3個)元素を不純物として添加させることにより、 シリコンとの結合において最外殻の電子が7個となり、シリコンとの安定した結合に必要な8個の電子よりも1個不足した 状態となります。この不足した部分を正孔といい、この部分に外部からの電子を取り込みやすく、またその電子を自由電子 として他へ送りやすくなり、電子の代わりにあたかも+の電子が動き回るようにふるまうことで導体のような性質に変わります。

 このような不純物が入ったものをp (positive)型半導体と言います。このN型とp型を接合させると、 電界の向きによって電気が流れたり、流れなかったりする、いわゆる整流作用が現れます。