半導体とは？

 

半導体材料は、金属銅などの導体とガラスなどの絶縁体の間の導電率値を持っています。 その抵抗率は、温度が上昇するにつれて低下します。 金属は逆の働きをします。 その導電特性は、結晶構造に不純物を導入（「ドーピング」）することにより、有用な方法で変更することができます。 2 つの異なるドープ領域が同じ結晶内に存在する場合、半導体接合が作成されます。 電子、イオン、正孔などの電荷キャリアのこれらの接合部での挙動は、ダイオード、トランジスタ、および最新の電子機器の基礎となっています。 半導体の例としては、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、および周期表のいわゆる「半金属階段」に近い元素があります。 ガリウム砒素は、シリコンに次いで 2 番目に一般的な半導体であり、レーザー ダイオード、太陽電池、マイクロ波周波数集積回路などに使用されています。 シリコンは、ほとんどの電子回路を製造するための重要な要素です。

 

半導体デバイスは、電流を一方の方向に流しやすく、可変抵抗を示し、光や熱に敏感であるなど、さまざまな有用な特性を示すことができます。 半導体材料の電気的特性は、ドーピングや電界または光の適用によって変更できるため、半導体で作られたデバイスは、増幅、スイッチング、およびエネルギー変換に使用できます。

 

 

多数の元素および化合物が、次のような半導体特性を持っています。

 

 

 

• l 特定の純元素は、周期表の第 14 族に含まれています。 これらの元素の中で最も商業的に重要なのは、シリコンとゲルマニウムです。 シリコンとゲルマニウムは、最外殻に 4 つの価電子を持っているため、ここで効果的に使用されています。

 

• l 二元化合物、特にヒ化ガリウムなどの 13 族と 15 族の元素間、12 族と 16 族、14 族と 16 族、および 14 族と 16 族の異なる元素間。 炭化ケイ素。

 

• l 特定の三元化合物、酸化物、および合金。

 

• l 有機化合物でできた有機半導体。

 

• l 半導体金属有機フレームワーク。

 

 

 

半導体材料

 

固体材料は一般に、絶縁体、半導体、導体の 3 つのクラスに分類されます。 (低温では、一部の導体、半導体、および絶縁体が超伝導体になる場合があります。)この図は、3 つのクラスのそれぞれの重要な材料に関連する伝導率 σ (および対応する抵抗率 ρ = 1/σ) を示しています。 溶融石英やガラスなどの絶縁体の導電率は非常に低く、1 cm あたり 10-18 から 10-10 ジーメンス程度です。 また、アルミニウムなどの導体は、通常 104 ～ 106 ジーメンス/センチメートルの高い導電率を持っています。 半導体の導電率はこれらの両極端の間にあり、一般に温度、照明、磁場、微量の不純物原子の影響を受けます。 たとえば、シリコンの 100 万原子あたり約 10 原子のホウ素 (ドーパントとして知られる) を追加すると、その電気伝導率が 1,000 倍に増加します (前の図に示されている幅広い変動の一部を説明しています)。

 

半導体材料の研究は 19 世紀初頭に始まりました。 元素半導体は、周期表の第 IV 列のシリコン (Si)、ゲルマニウム (Ge)、およびスズ (Sn)、第 VI 列のセレン (Se) およびテルル (Te) などの単一種の原子で構成されるものです。 しかし、2種類以上の元素からなる化合物半導体は数多くあります。 たとえば、ヒ化ガリウム (GaAs) は、III 列のガリウム (Ga) と V 列のヒ素 (As) の組み合わせである二元 III-V 化合物です。三元化合物は、3 つの異なる列の元素によって形成できます。 例えば、テルル化水銀インジウム (HgIn2Te4)、II-III-VI 化合物。 それらはまた、アルミニウム ガリウム ヒ素 (AlxGa1 − xAs) などの 2 つの列からの元素によって形成することもできます。これは三元 III-V 化合物であり、Al と Ga の両方が列 III からのものであり、下付き文字 x はの組成に関連しています。 100% Al (x = 1) から 100% Ga (x = 0) までの 2 つの要素。 純粋なシリコンは集積回路アプリケーションにとって最も重要な材料であり、III-V 二元化合物および三元化合物は発光にとって最も重要です。

 

 

 

 

半導体のしくみ

 

 

今日、ほとんどの半導体チップとトランジスタはシリコンで作られています。 「シリコン バレー」や「シリコン エコノミー」などの言葉を聞いたことがあるかもしれませんが、それが理由です。シリコンはあらゆる電子デバイスの心臓部です。

ダイオードは可能な限り最も単純な半導体デバイスであるため、半導体の仕組みを理解したい場合の出発点として最適です。 この記事では、半導体とは何か、ドーピングの仕組み、および半導体を使用してダイオードを作成する方法について説明します。 しかし、最初に、シリコンを詳しく見てみましょう。

シリコンは非常に一般的な元素です。たとえば、砂や石英の主な元素です。 周期表で「シリコン」を調べると、アルミニウムの隣、炭素の下、ゲルマニウムの上にあることがわかります。

炭素、シリコン、ゲルマニウム (ゲルマニウムもシリコンと同様に半導体) は、その電子構造に独自の特性を持っています。それぞれが外側の軌道に 4 つの電子を持っています。 これにより、きれいな結晶を形成することができます。 4 つの電子は隣接する 4 つの原子と完全な共有結合を形成し、格子を形成します。 炭素では、結晶形がダイヤモンドとして知られています。 シリコンでは、結晶形は銀色の金属のような物質です。

シリコン格子では、すべてのシリコン原子が隣接する 4 つの原子と完全に結合し、電流を伝導するための自由電子が残りません。 これにより、シリコン結晶は導体ではなく絶縁体になります。

金属は通常、原子間を容易に移動できる「自由電子」を持っており、電気には電子の流れが関与しているため、電気をよく通す傾向があります。 シリコン結晶は金属のように見えますが、実際には金属ではありません。 シリコン結晶の外部電子はすべて完全な共有結合に関与しているため、動き回ることはできません。 純粋なシリコン結晶はほぼ絶縁体であり、電気はほとんど流れません。

しかし、ドーピングと呼ばれるプロセスを通じて、これらすべてを変えることができます。