半導体入門　／４章　電子状態でみた導体、絶縁体、半導体 [まぐまぐ！]

2008/07/10

半導体入門　／４章　電子状態でみた導体、絶縁体、半導体

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こんにちは。「半導体入門」です。
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のうち、基礎的な10の章について、その文字情報部分を順次公開していくものです。
メールマガジンなので図は割愛します。
入門編は約４か月で完結し、以降は関連する話題を不定期で紹介していきます。

半導体入門　／４章　電子状態でみた導体、絶縁体、半導体

　食塩水などのイオン溶液など若干の例外はありますが、電気を伝えるもの
は原則として電子です。ただし電子はマイナスの電荷を持つので、電子流の
向きと電流の向きとは反対になりますが。
　多くの金属が導体である理由は、金属原子の中の最外殻の電子が、個々の
原子にひっぱられることなく、自由電子として動きまわれるからです。もう
少し正確にいうなら、電気のわずかなエネルギーにより、自由に動ける高い
エネルギー準位に簡単に移れるからです。
　一方絶縁体というものは、自由に動ける電子のエネルギー準位がきわめて
高く、通常の電気的エネルギーではそのためのエネルギーを供給できないと
いう状態です。
　それでは半導体はどうなっているのでしょうか。基本的には、そのエネル
ギー準位がやや大きいということです。そのため、何もしなくてもある程度
の導電性が確保されるのです。
　しかしそれだけではつまりません。もっと積極的にコントロールすること
ができます。そのために使われるのが不純物です。
　たとえばIVB族元素であるシリコンの結晶に、リンのようなVB族元素を少量
添加すると、シリコン原子の一部がリン原子に置き換わるのですが、リンは
最外殻に５個の電子を持つので、その１つが共有結合構造の中で余ります。
それが自由電子候補となるのですが、その自由電子のエネルギー準位添加物
のエネルギー準位とが近く、かなり容易に移れます。その結果、自由電子が
キャリアとなる半導体となります。これをｎ型半導体といいます。
　一方シリコンにホウ素のようなIIIB族元素を少量添加すると、シリコン原
子の一部がホウ素原子に置き換わるのですが、ホウ素は最外殻に３個の電子
を持つので、共有結合構造には１つ不足します。それは本来のシリコン結晶
の電子でおぎなわれるので、結局その電子不足状態（正孔）がキャリアとな
る半導体となります。これをｐ型半導体といいます。
　同じシリコンに別々の不純物を加えることで、電子がキャリアとなるｎ型
半導体も、正孔がキャリアとなるｐ型半導体も作れるわけです。そしてこの
２種類の半導体を組み合わせることで、１章で述べた整流作用や増幅作用が
実現できるのです。

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発行人（ご感想、半導体に関する文章・資料制作のご相談などお気軽にどうぞ）
情報ハブ代表取締役　加藤良平／contents@qj8.so-net.ne.jp／03-3944-7988