‹

半導体物性 (過去12年／8問出題)

📖 半導体物性の知識へ
🛡️ 半導体物性 のまとめ ▼

半導体の特性と不純物 💥

  • 温度特性：温度上昇に伴う抵抗値の低下（負の温度係数）。
  • エネルギーバンド：絶対零度における伝導帯の空帯化、および禁制帯におけるキャリア不在。
  • 不純物ドーピング： $ 4 $ 価の真性半導体への $ 5 $ 価添加による「n形（多数キャリア：電子）」、 $ 3 $ 価添加による「p形（多数キャリア：正孔）」の形成。
  • キャリア濃度の計算：導電率 $ \sigma = nq\mu $ に基づく、キャリア密度 $ n = \sigma / ( q \mu ) $ の算出。
  • 物理現象：温度差による「ゼーベック効果（熱電効果）」や磁界による「ホール効果」の発生。

※以下の国家試験問題・選択肢は学習支援を目的として引用しています。問題文および選択肢の著作権は厚生労働省に帰属します。解説・補足・分野分類・関連知識の整理は当サイトが独自に作成しています。

69PM78 【医用工学】
半導体で正しいのはどれか。２つ選べ。(複数回３つ)
1．比抵抗値は 10-8〜10-4 Ω･m である。
2．温度が上昇すると抵抗値が低くなる。
3．N 型半導体の多数キャリアは正孔である。
4．真性半導体には電子と正孔が同数存在する。
5．純度の高い材料は微量の不純物によって導電率が変化する。
正解：245
1. 半導体の比抵抗値は$10^{-4} \sim 10^2 \ \mathrm{[\Omega \cdot m]}$
3.N 型半導体の多数キャリアは電子！P型が正孔
77AM66 【医用工学】
真性半導体の絶対零度におけるエネルギーバンド構造で正しいのはどれか。 2 つ選べ。
1．伝導帯は空帯となっている。
2．禁制帯にキャリアは存在しない。
3．禁制帯の幅は絶縁体より大きい。
4．価電子帯の電子は電流に寄与する。
5．フェルミ準位は価電子帯に存在する。
正解：12
3.導体の禁制帯幅は絶縁体よりも小さい
4.絶対零度において、価電子帯は電子で完全に満たされている
5.真性半導体の場合、フェルミ準位は禁制帯のほぼ中央
71PM77 【医用工学】
半導体で誤っているのはどれか。
1．絶対零度ではキャリアは存在しない。
2．真性半導体では自由電子と正孔の数は等しい。
3．pn 接合が生成されると電位障壁が形成される。
4．真性半導体に微量のヒ素を混入すると p 形半導体となる。
5．n 形半導体の Fermi<フェルミ>準位は禁制帯中の伝導帯に近い位置となる。
正解：4
真性半導体（4 価の Si 等）に 5 価のヒ素 (As) を混入すると、余った電子が多数キャリアとなる「n 形」半導体になる。p 形を作るには 3 価の不純物（ボロン等）が必要。
68AM77 【医用工学】
半導体の性質で正しいのはどれか。２つ選べ。
1．熱電効果が現れる。
2．磁界によってホール効果が現れる。
3．光照射によって電気抵抗率が高くなる。
4．温度が高くなると電気抵抗率が高くなる。
5．微量不純物の添加量に比例して電気抵抗率が高くなる。
正解：12
3.半導体に光を照射すると、電気抵抗率は低く（導電性は高く）なる
4.金属は温度上昇とともに電気抵抗率が高くなりますが、半導体は温度が上がると熱励起によりキャリアが増えるため、逆に電気抵抗率は低くなる。
5.不純物（ドナーやアクセプタ）を添加（ドープ）するとキャリアが増えるため、電気抵抗率は低くなる
72AM75 【医用工学】
1種類のキャリアのみを有する半導体の導電率が102 S･m-1、移動度が0.36 m2･v-1･s-1であるとき、キャリア濃度[m-3]に最も近いのはどれか。ただし、キャリアの電荷量を1.6 ×10-19 C とする。
1．4.4 ×1016
2．5.8 ×1019
3．1.7×1021
4．2.3 ×1021
5．6.4 ×1023
正解：3
導電率 $\sigma$ は、以下の式で表されます。$$\sigma = n \cdot e \cdot \mu$$この式を変形して、キャリア濃度 $n$ を求めます。$$n = \frac{\sigma}{e \cdot \mu}$$

導電率 $\sigma = 10^2 \ [\mathrm{S/m}]$移動度 $\mu = 0.36 \ [\mathrm{m^2/(V \cdot s)}]$電荷量 $e = 1.6 \times 10^{-19} \ [\mathrm{C}]$$$n = \frac{10^2}{(1.6 \times 10^{-19}) \times 0.36}$$

$$n \approx 1.736 \times 10^{21} \ [\mathrm{m^{-3}}]$$
67AM77 【医用工学】
半導体ダイオードで正しいのはどれか。
1．ツェナーダイオードは定電流回路に用いられる。
2．発光ダイオードは自由電子と正孔が生成されることで発光する。
3．ショットキーダイオードは金属と半導体の接触により整流作用を示す。
4．バラクタダイオードは空乏層の幅により自己インダクタンスを変化させる。
5．ホトダイオードは光により自由電子と正孔が再結合することで逆電流になる。
正解：3
1.ツェナーダイオードは「定電流」ではなく、逆方向の降伏現象を利用した「定電圧」回路に用いられます。
2.発光ダイオード（LED）は電子と正孔が「生成」されるのではなく、「再結合」してエネルギーが光として放出されることで発光します。
4.ラクタダイオードは、空乏層の幅によって変化するのは自己インダクタンスではなく、「静電容量（キャパシタンス）」です。
5.ホトダイオードは光によって「再結合」するのではなく、光エネルギーで電子と正孔が「生成（励起）」され、それによって光電流（逆方向の電流）が流れます。
77PM67 【医用工学】
IGBT〈絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ〉で誤っているのはどれか。
1．コレクタ電流の大きさを制御できる。
2．MOS FET と比較してオン抵抗が小さい。
3．ゲート、エミッタ及びコレクタの端子を持つ。
4．MOS FET とトランジスタを組合せた構造である。
5．バイポーラトランジスタと比較してスイッチング速度が遅い。
正解：5
1,IGBTは電圧駆動型であり、ベース電流ではなくゲート電圧で制御します。
2.一般に、高耐圧化するほどMOSFETのオン抵抗は急激に増大するため、高耐圧領域ではIGBTの方がオン抵抗は小さくなりますが、「MOSFETと比較して常に小さい」とは言い切れない側面があります。
3.端子は「ゲート ($G$)、コレクタ ($C$)、エミッタ ($E$)」です。記述は正しいですが、IGBTの核心的な構造の説明ではありません。
4.構造は「MOSFETを駆動段に持つバイポーラトランジスタ」であり、単純な「組合せ」というよりは半導体内部の接合構造の話になります。
78PM66 【医用工学】
半導体で正しいのはどれか。2 つ選べ。
1．Si に As を添加すると p 型になる。
2．真性半導体のキャリアは正孔が主である。
3．n 型半導体に添加する不純物はドナーである。
4．真性半導体は温度が高くなると抵抗率が低下する。
5．不純物半導体は真性半導体と比較して導電率が低い。
正解：34
1. Si（4価）に As（5価）を添加すると、電子が余るため n 型半導体
2. 真性半導体は電子と正孔の数は等しいため、どちらかが主ということはない
5. 不純物を添加する目的はキャリアを増やして電気を通しやすくすること