半導体の材料として最もよく利用されているものが シリコン(Si) つまりケイ素です。
ゲルマニウム(Ge) も半導体の材料として使われます。
純粋な シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge) の元素でできている半導体のことを、 真性半導体 といいます。
純粋な シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge) ではほとんど電流が流れません。
ここでは、半導体の仕組みについて説明します。
P型半導体の仕組み
４価の元素 シリコン(Si) に価電子が１つ少ない３価の元素 ホウ素(B) を、少量加えると電子が抜けるという現象がおきます。
この抜けた穴を正孔（ホール）と呼びます。
これが P型半導体 になります。
P型半導体は、電子が少なくなるので正電荷の 正孔 を持ちます。
正孔が電気を運ぶ キャリア の役目をします。
P型半導体のように 正孔 が存在する状態で、電界をかけると正孔（ホール）に電子が次々に移動していきます。
正孔（ホール）が次々に移動する状態は、電流が流れている状態に見えます。
N型半導体の仕組み
シリコン(Si)に価電子が１つ多い リン(P) を、少量加えると N型半導体 になります。
N型半導体は、電子が余分になりますので、これが 自由電子 となります。
自由電子が電気を運ぶ キャリア の役目をします。
PN接合の半導体の仕組み
PN接合の半導体は ダイオード と呼ばれる。
P型半導体とN型半導体を接合すると、接合面に 拡散 といわれる現象が起こります。
拡散とは温度差によって移動する現象のことで、正孔は P側から N側へ、電子は N側から P側へと移動する。
接合付近で正孔と電子の結合がある程度進行すると止まります。
この領域のことをキャリアがないということから 空乏層 という。
キャリアとは正孔や電子のような荷電粒子のことをいいます。
■ 少数キャリアと多数キャリア
半導体の中には、電流を運ぶために 自由電子と正孔 が共存しています。
キャリアには、2種類のキャリアがあり、少数キャリアと多数キャリアがある。
少数キャリア\(\cdots\)P型半導体の電子、N型半導体の正孔がこれにあたります。
多数キャリア\(\cdots\)P型半導体の正孔、N型半導体の電子がこれにあたります。
■ P型半導体を例にすると、正孔が余分にある。
この余分な正孔が自由電子を確保するため、自由電子が少なくなります。
このように、少ない方のキャリア（電子）を「少数キャリア」という。
反対に、多い方のキャリア（正孔）を 多数キャリア といいます。
■ PN接合に電圧をかける
PN接合に電圧をかけたとき、電流の流れる方向のことを 順バイアス といいます。
逆に電流が流れない方向のことを 逆バイアス という。
半導体の中のキャリアの様子は図３のようになります。
また、逆バイアスのときの、空乏層の幅はバイアスがない時に比べて広がっています。
整流素子であるダイオードはこの原理によるものです。
トランジスタ
トランジスタ は半導体を3つ接合させたもので、PNP接合のものと NPN接合の物があります。
■ PNPトランジスタ
図のように、N型半導体の両端をP型半導体で接合したものです。
■ NPNトランジスタ
図のように、P型半導体の両端をN型半導体で接合したものです。
■ 半導体材料のシリコン
シリコンは日本語ではケイ素と呼ばれています。
元素記号は「Si」で地球上で酸素についで２番めに多く存在する元素です。
半導体の材料として シリコン が多く使われる理由としては主に次の４つがあります。
- 地球上で２番めに多い元素であるため、資源が豊富にある
- 不純物を取り除きやすく、純度を高めやすい
- 単結晶化と不純物の量を調整して、抵抗率の制御がしやすい
- 安定した酸化膜ができ、集積化などの加工がしやすい
以上で「P型半導体とN型半導体」の説明を終わります。