半導体物性の知識

📊 比抵抗とは？

「物質が、どれだけ電気を通しにくいか」を示す数値

• 値が小さいほど：電気はスイスイ流れる（＝導体）
• 値が大きいほど：電気はほとんど流れない（＝絶縁体）。
• 半導体の立ち位置：導体と絶縁体のちょうど中間の値（$10^{-4} \sim 10^2 \ \mathrm{[\Omega \cdot m]}$）

💎 真性半導体（純粋な結晶）

不純物を全く含まない、純度が高いシリコン（ $ \mathrm{Si} $ ）やゲルマニウム（ $ \mathrm{Ge} $ ）の結晶
結晶内では、電子は原子に固定されているが温度変化によって、この結晶の導電性は劇的に変化。

• 絶対零度（$-273 \ ^\circ \mathrm{C}$）の状態：結晶は完璧に整列し、電子はすべて固定（絶縁体）
• 温度が上がると：熱エネルギーをもらうと自由電子と正孔が発生（＝電気が流れる！）

🌌 エネルギーバンド構造

真性半導体の電子は持っているエネルギーによって領域を移動する。

• 価電子帯：電子が原子に束縛され、固定されているエネルギーの領域。
• 伝導帯：電子が原子から離れ、結晶内を自由に移動できるエネルギー状態の領域。
• 禁制帯（バンドギャップ）：価電子帯と伝導帯の間にある「電子が絶対に存在できない領域」。この幅が狭いほど、わずかなエネルギーで電子が伝導帯へ飛び移れるため、電気を通しやすくなる。

🧪 不純物半導体（n形とp形）

真性半導体に微量の不純物を添加（ドープ）し、意図的に導電性を変化させた半導体

• n形半導体（negative：負）
  • 不純物（ドナー）：4価のシリコン（ $ \mathrm{Si} $ ）に、5価の元素（リン： $ \mathrm{P} $ 、ヒ素： $ \mathrm{As} $ 、アンチモン： $ \mathrm{Sb} $ ）を添加
  • 役割：余分な電子が供給される
  • フェルミ準位：供給された電子によって電子優勢となり、フェルミ準位は伝導帯側へ上昇
  • 電気的特性：伝導帯に「自由に動ける電子」があふれているため、電気を通しやすい！
• p形半導体（positive：正）
  • 不純物（アクセプタ）：4価のシリコンに、3価の元素（ホウ素： $ \mathrm{B} $ 、インジウム： $ \mathrm{In} $ 、ガリウム： $ \mathrm{Ga} $ 、アルミニウム： $ \mathrm{Al} ` ）を添加。
  • 役割：電子が1つ足りない場所（正孔：ホール）が作られる。
  • フェルミ準位：正孔が優勢となり、正孔が多いため、フェルミ準位は価電子帯側へ下降
  • 電気的特性：価電子帯に「電子の穴（正孔）」が多くなり、隣の電子が次々と穴へ動くため電気を通しやすい！

🔀 pn接合とダイオードの原理

p形とn形を接触させた構造を「pn接合」、この特性を活かして電流を一方向にしか流さないようにした電子部品がダイオード！

• 空乏層の形成（何もしていないとき）
  1. p形には「正孔（プラス）」、n形には「自由電子（マイナス）」が大量発生している。
  2. 2つをくっつけると正孔と自由電子が境界付近で結合して消滅。
  3. 「動ける電子」も「動ける穴」も、いなくなるため「空乏層（＝電気を通さないガードゾーン）」となる。
• 外部から電圧をかける！
  • 順方向電圧（電源のプラスをp、マイナスをnにつなぐ）
    • 力の向き：電圧の力でp側から正孔、n側から自由電子が空乏層に移動
    • 結果：「空乏層」を正孔と自由電子で埋め尽くし電流が流れる。
  • 逆方向（電源のマイナスをp、プラスをnにつなぐ）
    • 力の向き：電圧の力でp側から正孔、n側から自由電子が外側に移動
    • 結果：「空乏層」から正孔と自由電子がごっそりいなくなって電流が流れない。

その他の重要な物理現象

半導体は電圧を制御するだけでなく、外部からの「磁界」や「光」にも非常に敏感に反応する特性を持っている。

• ホール効果：磁界の中で電流を流すと、キャリア（電子や正孔）が「ローレンツ力」という力を受け、電流の通り道から横に逸らされ、半導体の横方向に電圧が発生。
• 光導電効果：半導体に光が当たると、光のエネルギーで価電子帯の電子が叩き出され、伝導帯へと飛び移り電気抵抗が劇的に下がり、電気が流れやすくなる。

🛡️ 特殊なダイオード：特定の用途に特化したスペシャリスト

一般的なpn接合ダイオードの特性を応用・改良し、特定の機能を強化したダイオードの仲間

• ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）
  • 原理：逆方向の「降伏現象（ツェナー降伏）」を利用する。
  • 特性：一定の降伏電圧を超えると、電圧をほぼ一定に維持したまま電流が急増する。
  • 用途：電圧を一定に保つ「定電圧回路」や過電圧保護回路。
• バラクタダイオード（可変容量ダイオード）
  • 原理：逆バイアス電圧によって「空乏層の幅」が変化し、静電容量（キャパシタンス）が変化する性質を利用。
  • 特性：電圧を変化させることで、電気的な容量を自在に変えられる。
  • 用途：無線通信機の周波数チューナー（同調回路）
• ショットキーバリアダイオード（SBD）
  • 原理：pn接合ではなく、「金属と半導体」を接合する。
  • 特性：pn接合よりも順方向電圧降下が小さく、少数キャリアの蓄積効果がないため、極めて高速なスイッチングが可能。
  • 用途：高速なスイッチング電源や高周波回路。

🚀 トランジスタ（増幅およびスイッチング動作）

電気信号の増幅作用（小さな信号で大きな信号を操作する）および、回路のON/OFF切り替え（スイッチング）作用を持つ能動素子

• バイポーラトランジスタ（BJT）
  • エミッタ（$E$）、ベース（$B$）、コレクタ（$C$）の3端子構造
  • 構造：n形半導体、p形半導体、n形半導体をこの順で積み重ねた「3層サンドイッチ構造」
  • 制御原理：微小な「ベース電流」を制御することで、巨大な「コレクタ電流」を操作する「電流駆動型」のデバイス
• 電界効果トランジスタ（FET）
  • 端子構成：ソース（$S$）、ゲート（$G$）、ドレイン（$D$）の3端子構造
  • 構造：ソースとドレインは「n形半導体」で構成され、その間の基板は「p形半導体」となっている
  • 制御原理：ゲートへの「入力電圧」によって、p形基板の表面に電気的な「通り道（チャネル）」を形成し、ソース・ドレイン間の電流を制御する「電圧駆動型」のデバイス

特殊半導体デバイス

• パワー半導体：大電力を操る堅牢なスイッチ
  • IGBT（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）
    • 特徴：FETの「電圧制御の容易さ・高速性」と、バイポーラトランジスタの「高耐圧・大電流耐性」を融合
    • 用途：X線発生装置のインバータ回路など、高度な高速スイッチングが要求される分野での標準素子
  • サイリスタ（SCR）
    • 動作：ゲートへのパルス信号で大電流経路をON制御する
    • 自己保持特性（ラッチング）：一度ONになるとゲート信号が消えても導通を維持する。電流遮断か逆バイアス印加でのみOFFとなる
    • 用途：交流電源の位相制御、大容量モータの始動、大電力の遮断
• 光電変換素子：光と電気のエネルギー変換
  • 発光ダイオード（LED）
    • 原理：電子と正孔が再結合する際、放出されるエネルギーを「光」として取り出す
    • 用途：インジケーター、光源、光通信用の発光デバイス
  • ホトダイオード
    • 原理：光の照射でpn接合に電子と正孔を励起させ、光強度に応じた「光電流」を取り出す
    • 用途：光検出器、自動露出計、X線検出器の受光部