【図解】半導体の特徴とN型半導体・P型半導体ついて

【図解】半導体の特徴とN型半導体・P型半導体ついて




【図解】半導体の特徴とN型半導体・P型半導体ついて

現代の生活で私たちの生活に欠かす事の出来ない

  • テレビ
  • 冷蔵庫
  • エアコン
  • ノートパソコン
  • スマートフォン 等々

の電子製品には多くの半導体が使われており、半導体が生まれなければ、これほど社会は発展しなかったでしょう。

この記事の前半では、その半導体が

  • どのような物質なのか
  • どのような特徴を持っているのか

について説明します。

また、記事の後半では

  • N型半導体・・・ネガティブ(Negative)型半導体
  • P型半導体・・・ポジティブ(Positive)型半導体

について解説します。

半導体

半導体

半導体は、

  • 導体・・・物質に電気を通す性質を備えた物質
  • 絶縁体・・・物質に電気を通さない性質を備えた物質

の中間の性質を備えた物質です。

広義な「半導体」には

  • トランジスタ
  • ダイオード 等々

の素子単体(ディスクリ-ト半導体部品)や

  • トランジスタ
  • ダイオード
  • 抵抗
  • コンデンサ 等々

で構成される集積回路【IC】(以下、ICと呼ぶ)を総称したものを指すこともあります。

ディスクリ-ト半導体部品・・・

  • ディスクリート(discrete)は「個別の」「別々の」という意味
  • 単一目的のために使用される単一機能の半導体

を指します。

対して、ICは

  • トランジスタ
  • ダイオード 等々

の半導体デバイスを組み合わせ、記憶や演算といった色々な機能を有しています。

半導体デバイス

半導体の代表的な物質として

  • ケイ素(シリコン)【Si】
  • ゲルマニウム【Ge】 等々

があります。

半導体

半導体の特徴

半導体の代表格であるケイ素(シリコン:以下、シリコンと呼ぶ)を例に取ります。

シリコンは、酸素と結合してできた安定化合物の二酸化ケイ素(SiO₂)から、酸素を剥がして物質になります。

SiO₂(二酸化ケイ素) – O₂(酸素) -> Si(シリコン)

シリコンは「4価元素の真性半導体」という特徴を備えています。

元素周期表

4価元素

4価元素とは、原子構造における原子核を取り巻く電子殻の最外殻電子の電子の数を指します。

電子殻に収納可能な電子数は下記表の通りです。


K殻L殻M殻N殻O殻P殻
主量子数 n123456
電子数 2 n^22818325072

シリコンの原子構造において、最も外側にある電子殻(M殻)には、4つの電子が存在します。

ケイ素の原子構造

真性半導体

真性半導体とは、

  • 自由電子が動きにくい
  • 絶縁体と同様に通電しない

という特性を備えた半導体です。

不純物半導体

シリコンの結晶も、シリコンの原子同士の共有結合によって

  • 自由電子が動きにくい
  • 絶縁体と同様に通電しない

真性半導体の物質です。

シリコン

N型半導体・P型半導体

N型半導体・P型半導体

  • N型半導体は、ネガティブ(Negative)型半導体
  • P型半導体は、ポジティブ(Positive)型半導体

という意味です。

ネガティブ(Negative)・・・ 否定的な、消極的な、悲観的な 
【数学】 負(マイナス)の
【電気】 陰電気
【医学】〈反応の結果が〉陰性の

ポジティブ(Positive)・・・明確な、積極的な
【数学】 正(プラス)の
【電気】 陽電気
【医学】〈反応の結果が〉陽性の

つまり、それぞれ

  • N型半導体・・・陰電気を帯びている半導体
  • P型半導体・・・陽電気を帯びている半導体

になります。

真性半導体であるシリコンは、そのまま使用しても自由電子は動きにくく、絶縁体同様、通電しません。

半導体として電気を流す為には、不純物の

  • リン
  • ホウ素

を真性半導体のシリコンに混ぜ込むことで

  • リン、ヒ素 等を不純物として添加・・・N型半導体
  • ホウ素、アルミニウム 等を不純物として添加・・・P型半導体

とそれぞれが生成されます。

不純物半導体

不純物半導体・・・半導体に不純物をドープ(Dope)させたもの

N型半導体

N型半導体は、

  • 電荷キャリアとして自由電子が利用
  • 負の電荷を持つ自由電子がキャリアとして移動することで電流が発生

このような性質も持った半導体です。

電荷キャリア(charge carrier)・・・電荷を運ぶ自由な粒子を指し、特に電気伝導体における電流を担う粒子を指します。

シリコンなどの、4価元素の真性半導体に、

  1. 微量の5価元素(リン、ヒ素 等)を不純物として添加
  2. 電子が一つ余分に生じる
  3. この余剰の電子が伝導帯に励起され自由電子となり

このような仕組みで電気伝導性を与えます。

N型半導体

N型半導体体をつくる為の不純物をドナー(doner)と呼び、この不純物より形成された準位をドナー準位と呼びます。

P型半導体

P型半導体は、

  • 電荷を運ぶキャリアとして正孔(ホール)が利用
  • 正の電荷を持つ正孔(ホール)が移動することで電流が発生

このような性質も持った半導体です。

シリコンなどの、4価元素の真性半導体に、

  1. 微量の3価元素(ホウ素、アルミニウム 等)を不純物として添加
  2. 電子の不足により正孔(ホール)が生じる
  3. 正孔(ホール)を埋める為、近隣の自由電子が移動
  4. 自由電子の移動に伴い、正孔(ホール)が移動

このような仕組みで電気伝導性を与えます。

P型半導体

正孔

P型半導体をつくる為の添加物をアクセプタ(acceptor)といい、この添加物によって形成された準位をアクセプタ準位と呼びます。

以上が

  • 半導体の特徴
  • N型半導体・P型半導体

についての説明になります。

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