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半導体について調べた

半導体について調べた。

半導体とは

導体か絶縁体かどうかは、物質内を電子がどれだけ移動できるかどうかで決まる。
絶縁体は電子が存在することができない領域(バンドギャップ、禁制帯)が大きいため、電気がほとんど流れない。逆に鉄、銅、アルミなどの導体にはバンドギャップが存在しないため、電気が流れる。
半導体バンドギャップが存在するが小さく、電気を少しだけ流すため、導体と絶縁体の間の存在となっている。代表的な素材にシリコンがある。
半導体にも真性半導体や不純物半導体があり、不純物半導体にもN型、P型という種類がある。それを説明していく。

真性半導体

シリコンなどの半導体素材のみの、不純物を含まない半導体を真性半導体と呼ぶ。
電子殻を共有して結合(共有結合)された物質なのでこのままではほとんど電子を通さないが、熱などの刺激を与えることによって結合が弱まり、若干電子を通すという特性がある。 しかし、真性半導体がそのまま利用されることはなく、一般的には不純物を混ぜて抵抗値を大きく下げた不純物半導体として利用される。

不純物半導体

真性半導体はほとんど電気を通さないが、不純物を含ませると電気が流れやすくなる。このような不純物を含んだ半導体を不純物半導体と呼ぶ。さらに不純物半導体は、混ぜる不純物によってN型(ネガティブ)とP型(ポジティブ)の2つに分けられる。

N型(ネガティブ)

電子を余計に持った燐などの不純物を加えることで結晶の中を自由に動き回れる自由電子が生まれた結果、電気を通すことができる性質に変化する。いわゆるマイナスである電子が余分にあるということで、ネガティブ型と呼ばれる。

P型(ポジティブ)

電子が少ないホウ素などとシリコンが共有結合するが、完全に結合するためには電子が足りない部分(ホール)が生まれた状態。ホールを埋めようとしてとなりの電子が移動するが、元に電子があった場所がホールになるために隣の電子が…ということが絶えず繰り返されている。電子が少ないためプラスとして扱われ、ポジティブ型と呼ばれる。

整流作用

プラスのP型半導体とマイナスのN型半導体を接合させたものがダイオードであり、それを利用すると電気の流れが一方になる機構を作成でき、それを「整流作用」と呼ばれる。

以下ダイオードの例
P型半導体にプラスの電圧をかけるとプラスとして振る舞うホール(正孔)はP型領域からN型領域へ移動し、一方マイナスとして振る舞う電子はN型領域からP型領域へ移動するため、 正孔と電子は結合する。これが継続して行われるため、電流は流れ続ける。
逆に、P半導体にマイナスの電圧を流すと 正孔は正電極側へ、電子は負電極側に引き寄せられるため、 正孔と電子のやりとりは発生しない。そのため、電流が流れることはない。

N型とP型をNPNの形で接合させたり、PNPの形で接合させるとトランジスタができる。

参考文献