半導体の仕組み




半導体の仕組み

半導体の材料

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。
純粋な半導体はほとんど電流がながれません。

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ある状態で、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。

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

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います。

キャリアとは正孔と電子のように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ります。

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、正孔が余分にあります。

そして、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」といいます。

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」といいます。

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。

  1. 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
  2. 不純物を取り除きやすく、純度を高めやすい
  3. 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
  4. 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「半導体の仕組み」の説明を終わります。