半導体の原理




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半導体の原理

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Si(シリコン)ケイ素です。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(P=Positive)

そこで、Si(シリコン)より価電子の1つ少ない B(ホウ素)をごく小量加えてやると電子が抜けた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。

このような状態の時に電界をかけると、正孔(ホール)ができる前は電子がいっぱいで、電界をかけても電子は自由に動けませんでした。

ところが正孔が出来たあとは、その穴に電子が次々に移動していきます。

そのため、正孔は電界のかかっている方向に移動しているように見えます。

あたかも、電界の方向と同じ向きに電流が流れているように見えるのです。

N型半導体(N=Negative)

Si(シリコン)に価電子が1つ多い P(リン)を少量加えたものは、P(リン)が持っていた電子が余りますのでこれが自由電子となり、電流が流れるようになります。

これがN 型半導体になります。

PN接合の半導体

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。

p形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を「少数キャリア」といいます。

反対に、多い方のキャリアを「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。

トランジスターは半導体を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。

回路記号

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「半導体の原理」の説明を終わります。




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