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。