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。

3.

化合物半導体

2種類以上の元素からできた化合物の中にも半導体の性質をもつものがある。真性半導体や不純物半導体の原子は共有結合をとっているが、化合物半導体は一部がイオン結合の性格をもっているのが特徴である。多くの種類がある。周期表では、13族元素のガリウムGaやインジウムInと15族元素であるヒ素AsやリンPの化合物であるガリウムヒ素GaAs、ガリウムリンGaP、インジウムリンInPや、12族元素のカドミウムCdや亜鉛Znと16族元素である酸素OやテルルTe、セレンSeからできた酸化亜鉛ZnO、カドミウムテルルCdTe、セレン化亜鉛ZnSeなどは2種類の元素からできている。そのほかにも、アルミニウムガリウムヒ素AlGaAsやガリウムインジウムヒ素リンInGAAsPのように3種類または4種類の元素からできたものもある。

化合物半導体の製造においては、融点や沸点に差がある材料をつかったり、不純物が混入する可能性から、不純物半導体のように、CZ法やFZ法といった精製法がつかえない。そのため、それぞれの元素をイオン化して積層するか、CVD、LB膜などの方法で薄膜をつくる。性質としては、シリコンでできた不純物半導体にくらべ、化合物半導体であるガリウムヒ素半導体内部の電子は5倍近い高速で移動することができるため、コンピューターの回路素子などに利用されている。また、ガリウムヒ素はシリコンにくらべ発光効率がよく、発光ダイオード(→ ダイオード)や固体レーザー(→ レーザー)の発光体などに利用されている。

III.

半導体の構造

半導体に不純物を添加したり高温にした場合、あるいは光をあてた場合の電気伝導率の増大は、電流をになう伝導電子とよばれる自由にうごきまわる電子の増加によるものである。

1.

伝導電子と正孔(ホール)

シリコンなど純粋な元素からなる半導体では、原子の価電子によって共有結合が形成されており、低い温度では価電子が結晶中で拘束されているため、移動できない。しかし温度が上昇したり光が照射されたりして価電子が励起されると、伝導電子となって禁制帯をこえて伝導帯にうつり、自由にうごける伝導電子となるため、電流がながれやすくなる。

また、正孔(ホール)とよばれる電子のぬけた孔も、伝導電子と同じように電流の担い手になる。正孔に電圧をくわえるとほかの伝導電子がとびこみ、その伝導電子がぬけた正孔に別の伝導電子がとびこむということがくりかえされる。そのため、伝導電子が負の電荷をはこぶのに対して、正孔は正の電荷をはこぶようにみえる。また、伝導電子や正孔が電流の担い手になるレベルまで励起するのに必要なエネルギーは、エネルギーギャップとよばれている。→物性物理学の「バンド理論」：金属の「バンド理論」

2.

ドーピング

温度をあげたり光をあてる以外に伝導電子や正孔をつくりだす方法が、不純物の添加(ドーピング)である。いいかえれば、純粋結晶に対し、価電子数のことなる不純物を微量混合することで、それによって意図的に伝導電子が過剰な状態や不足の状態にすることができる。

IV.

n型半導体とp型半導体

ドナーのドーピングによって伝導電子を過剰にしたものをn型半導体、反対にアクセプタによって正孔を生じるものをp型半導体とよぶ。「n」は「負」という意味をもつnegativeの略で、負の電荷をもつ伝導電子を生みだすことからn型半導体とよばれる。一方、「p」は「正」という意味のpositiveの略で、p型半導体では伝導電子が不足した部分にできた正の電荷である正孔が電流をになう。

V.

半導体の利用

1方向のみに電流をながす素子としてダイオードがあるが、p型半導体とn型半導体とを接合すると半導体ダイオードを製作できる。両者の接合部はp-n接合とよばれ、この部分にくわわる電圧の方向によって、電流のながれやすさが変化する。また、p-n接合を複数直列につなぐと、トランジスターや太陽電池、p-n接合レーザー、整流器(→ 整流素子)など、さまざまな半導体部品をつくることができる。

半導体素子は、電子工学の分野でさまざまに利用されている。数百万個以上のトランジスターからなる集積回路(IC)もつくられ、電子機器の小型化が可能となった。また、相補型金属酸化物半導体(CMOS)の技術は、より効率的な集積回路の製造を可能にし、分子線エピタキシーの技術により微小な素子もできるようになっている(→ エピタキシー)。