半導体

I

プロローグ

室温において絶縁体(不導体)と導体の中間程度の電気伝導率(電気伝導度、導電率とも)をもつ固体または液体状の物質。

電気伝導率とは、物質に電圧をくわえたとき、電流がどの程度ながれるかをあらわす値である。この値は、物質によって広い範囲で変化する。銅や銀、アルミニウムなどの金属は、電流をよくとおす導体であり、ダイヤモンドやふつうのガラス、ゴムなどはほとんど電流がながれない絶縁体である。

純粋な半導体は、低温下では絶縁体とほぼ同じ電気伝導率だが、不純物を添加した場合や光をあてたとき、また高温では、電気伝導率が金属に近い値まで劇的に増大する。これは、ふつうの電気伝導性をもつ金属などとは逆の性質である。このような半導体の物理的性質は、固体物理学の分野で研究されている。→電気の「固体の電気性質」

II

半導体の種類

半導体として分類されるものには、次のような種類がある。

1

真性半導体

不純物をまったくふくまず、純粋な元素だけで、電気伝導率が半導体の範囲にあるものを、真性半導体または固有半導体という。ケイ素(以下、シリコン)やゲルマニウム、セレンが代表で、絶対零度ではまったく電流をながさない。半導体の電気的な性質は、その原子構造によってきまる。たとえば、純粋なシリコンの結晶では、1つの原子は周りの4つの原子とむすびついている。シリコンの原子は、4個の価電子をもっていて、それぞれの電子は、隣にある原子の価電子と共有結合している。そのため、この電子は自由にうごきまわることができず、純粋な結晶は、低温では絶縁体になるからである。しかし、温度の上昇とともに導電性があらわれてくる。図「半導体」を参照。

2

不純物半導体

純粋な元素にわずかな不純物をくわえる(ドーピング)ことで、半導体の性質をもたせたものを不純物半導体という。不純物が少量ふくまれているシリコンの結晶は、低温でも電気をとおすようになる。このような不純物は結晶中で、次のどちらかの働きをする。たとえば4つの価電子をもつシリコンに、5つの価電子をもつ硫黄やアンチモン、ヒ素をくわえると、4個はシリコンの原子とむすびつくが、1個だけのこった電子は自由にうごきまわれるようになり、電気がながれやすくなる。このような不純物は、ドナー(提供者)とよばれる。これに対して、ガリウムやインジウムなどの不純物元素には価電子が3個しかなく、電子がたりない原子ができる。しかし、電圧をかけると、電子がぬけた場所をうめるようにほかの電子がとびこむために、電流がながれる。このような不純物は、アクセプタ(受取人)とよばれている。不純物半導体は、エレクトロニクス産業で大量につかわれている半導体材料で、母体材料と添加する不純物の種類によってp型とn型がある。