科学大好き!アイラブサイエンス!このブログでは、最新科学の?をなるべくわかりやすくコメントします。
携帯電話が普及しはじめたころ、「ユビキタス社会」という言葉が生まれた。いつでもどこでもインターネットにアクセスできる「情報遍在社会」という意味である。その意味でいま注目されているものにICタグがある。ICタグは半導体でできている。

バーコードの代りにすべての商品に極小極薄の半導体を貼りつけると、1個1個の商品の動きをリアルタイムで把握できる。また、その商品はどこの誰が生産してどうやって店頭に並んだのかも分かる。

そうすると、人類はこれまで持ったことのない無限の行動情報を手に入れることができる。そこからどんな新しい社会、どんな新しいビジネスが生まれることだろう。半導体は今日を支え明日を拓く先端技術である。 

私たちの身の回りにはパソコンや携帯電話、各種家電製品、自動車などの道具で、満ちあふれている。 それらの機器の中には半導体が活躍している。 半導体は小さな「部品」なので、ふだん私たちの目につくことはない。しかしこの「部品」がなくなったら、現代社会のすべての動きはたちまち止まってしまうだろう。

半導体は、水や空気や電気のように、私たちの生活の基盤を作っている。しかも、水や空気とちがうのは、半導体が先端テクノロジーによって作り出されていることである。半導体技術はバイオやナノテクノロジーにも応用されて大きな成果をあげている。この意味で半導体は社会の基盤であるとともに、先端技術の基盤でもある。

もうすでに私たちの生活の中に溶け込んでいる半導体。半導体なしの生活はもはや考えられない。半導体がつくる社会には、無限の可能性が広がっている。しかし、半導体とは何だろうか?

知らないうちに存在している半導体について説明してくれと言われたら何と答えればよいのだろうか?今日は半導体についてその基本的なことを調べたい。(参考HP Wikipedia・JEITA)

そもそも半導体とは?


電気を通しやすい「導体」と電気を通さない「絶縁体」との中間の性質を持つ物質

代表的なものとしてシリコンがあり、半導体製品の多くがシリコンを主原料としている。純粋なシリコン結晶は「電気がやや流れにくい」という程度の性質しか持たないが、これに微量の硼素(など3価の元素)を加えることでp型半導体を、微量の砒素(など5価の元素)を加えることでn型半導体を作ることができる。

ダイオードやトランジスタといった半導体素子に実際に使われるのは、このp型半導体、n型半導体が多い。半導体は温度によって導電率が変化する性質を持っており、電子機器が高熱を嫌うのはそのためである。

なお、通常「半導体」と言った場合、半導体そのものではなく、半導体を用いて作られたダイオードやトランジスタ、またそれらの集積回路であるICなどを指すことが多い。

半導体の性質
バンド構造とは?


半導体では普通の状態では電流を通さない。外部から熱や光、磁場・電圧・電流などのエネルギーを受けることで電流を通すようになる。このようなしくみをバンド構造という。図のEは電子の持つエネルギー、kは波数。Egがバンドギャップである。

半導体(や絶縁体)では「絶対零度で電子が入っている一番上のエネルギーバンド」が電子で満たされており(充満帯)、その上に禁制帯を隔てて空帯がある(伝導帯)。半導体の性質で特徴的なのが、熱や光、磁場・電圧・電流などの刺激でその物性が動的に変わることである。この特徴により、半導体の応用範囲は非常に多様なものとなっている。この特徴は適切な幅の禁制帯を持つバンド構造に由来し、電子が伝導電子になったり価電子になったりすることで、電気的・光学的・熱的などの面で性質が変化する。

より厳密には、半導体とは、価電子帯の部分の状態密度が完全に電子で詰まった充満帯となっており、一方伝導帯は空(空帯)で、価電子帯と伝導帯の間にバンドギャップが存在する状態、またはその状態を示す物質である。

同じようにバンドギャップが存在する絶縁体に比べて、半導体はバンドギャップがより狭いことでよく区別されるが、この区別は必ずしも妥当ではない。

例えば、通常ダイヤモンド(バンドギャップは実験値で室温で約5.47 eV)は絶縁体として扱われることがある。この違いはむしろ、不純物によって伝導度を制御できるかどうかによって区別されるべきであり、したがってダイヤモンドや窒化アルミニウムなどは半導体であり、現在ワイドバンドギャップ半導体と総称される。

通常半導体として扱われる物質のバンドギャップは、シリコンで約1.1 eV、ゲルマニウムで約0.67 eV、ガリウムヒ素化合物半導体で約1.4 eV。発光ダイオードなどではもっと広いもの(ワイドギャップ半導体)も使われ、リン化ガリウムでは約2.3 eV、窒化ガリウムでは約3.4 eVである。現在では、ダイヤモンドで5.27 eV、窒化アルミニウムで5.9 eVの発光ダイオードが報告されている。

キャリアとは?


半導体中においては電子は自由に流れない。ある条件により、バンド構造を超えた時に電流は流れる。このとき電流のもとになるものが「伝導電子」や「正孔」である。この「伝導電子」や「正孔」を、まとめてキャリア((charge) carrier、キャリヤ、キャリヤー、担体)と呼ぶ。半導体中における、電荷の移動(電流)の担い手である。

半導体において単に「電子」と言った場合は、通常伝導電子のみを指す(「電子が欠乏」「電子が無い」などと言っても、半導体を構成する原子の中の電子が全て無くなったりしている訳ではなく、単に伝導電子が不足する様を表す)。

多数キャリア(majority carrier)とは、n型半導体中の電子(伝導電子)、およびp型半導体中の正孔を指す。単に「キャリア」と言った場合は、通常は多数キャリアを指す。 少数キャリア(minority carrier)とは、n型半導体中の正孔、およびp型半導体中の電子を指す。

なお厳密には、p型/n型どちらの型の半導体も、必ず伝導電子と正孔の両方をもっており、内部では常に熱エネルギーなどによる生成と消滅が繰り返されている。p型/n型とは、そのバランスがどちらか一方に(多くの場合は数桁以上の比で)偏っている様を表す。

 

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