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ニャソちゅうと学ぶ半導体ー①半導体とはー

※ニャンちゅうのニャンちゅうによるニャンちゅうのための半導体の雑な解説ブログです

※濁点゛を打つのは面倒なのでほとんど省略しますが、1文字ごとについていると思ってください

※定性的に説明し、その後定量的に記述しま゛ぁ゛す゛!!

目的

半導体についてざっくり理解するお゛ぉ゛ん!!

今回の方針

半導体は、導体と絶縁体の中間的な抵抗率を有する物質と解説されたりしています。もう少し分かりやすく述べるならば、金属などの導体ほど電流が流れやすいわけではなく、一方でゴムなどの絶縁体ほど電流が流れないわけでもないといった感じです。これは完全に間違いではないですが、厳密には異なるとニャソちゅうは考えます。というのも、この定義ではただの抵抗と何ら変わらないためです。そこで、本ニャソちゅうは半導体の定義をもう少し厳密にします。

導体・半導体・絶縁体の違い

少し話が脱線しますが、導体・半導体・絶縁体の違いというのは半導体を学ぶ上で理解する必要があります。「半導体とは」と検索すると割と上位に間違った情報が書かれていることがあります。

半導体と絶縁体の違いはバンドギャップの違いである

これは個人的には違うと思います。バンドギャップが大きいから絶縁体という解説は非常に怪しいです。では、半導体と絶縁体の違いは何かというと

それ単体では電流が流れにくいが、適切な不純物のドーピングで
電流が流れやすくなるかどうか

だと本ニャソちゅうは考えます。以下では、これについて説明します。

不純物?ドーピング?

半導体がよく分からない人にとっては、不純物?ドーピング?となっていると思います。まず、現在半導体としてもっとも使用されている材料はSi(シリコン、珪素)です。Siは原子番号14の原子であり、原子核のまわりに14個の電子が存在しています(図1を参照)。K殻とL殻は電子で完全に埋まっていますが、M殻は空きがあります。

図1. Si原子

このSi原子の周囲にもSi原子がある場合、Si原子は共有結合を行い、結晶を作ります。このときの様子を図2に示します。Siのように最外殻に電子が4つあるものはⅣ族原子と呼ばれると…思います(圧倒的確信のNASA)(化学無知なので許して)。

図2. Si共有結合

このSi原子のみで構成される結晶で、一部のSi原子の代わりにⅤ族原子を入れた場合を考えます。このSi原子の代わりに入れたものを不純物と呼び、不純物を入れることをドーピングと言います。このとき、上の図は図3に変わります(Ⅴ族原子Pの場合)。青色の電子は共有結合のために動くことができませんが、P原子の存在によって、オレンジ色で示された電子があまり、結晶中を動くことが可能になります。この電子を自由電子と呼び、自由電子の存在によって電流が流れやすくなります。

図3. Ⅴ族をドープしたSi結晶

先に示した例では、Ⅴ族を不純物として使用しましたが、Ⅲ族を不純物として使用した場合は、電子が足りなくなります。これを図4に示します。このとき、共有結合に必要な電子を他の共有結合から持ってくるような働きをします(図4の矢印)。つまり、自由電子は存在しないものの、電荷の移動は起きます。電荷の移動そのものは電子が担っていますが、矢印方向と逆向きに正の電荷が移動しているとも考えられます。この仮想的な正の電荷を正孔と呼びます。

図4. Ⅲ族をドープしたSi結晶

ちなみに、Ⅳ族の結晶でなければならないことはなく、Ⅲ-Ⅴ族の化合物(例:GaAs)などにドーピングしてもOKです。

さて、少し長くなってしまいましたが、結論をここで述べると

適切な不純物のドーピングで、結晶中を動ける電子or正孔の量を調整できる

ものが半導体であると本ニャソちゅうは考えます。というのも、この条件を満たさないと、ダイオードやMOSFETといった半導体素子を作製することができないためです。たとえ、抵抗率が導体と絶縁体の中間の値であったとしても、上の条件を満たさない限りは半導体とは言えないと思います。

まとめ

半導体はミ゛ィ゛には難しいに゛ゃ゛あ゛…
(次回からは掘り下げていくので少し難しくなります)

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