半導体とは

半導体とは、およそ0.7〜6eVという小さなバンドギャップを持つ材料です。 東京エレクトロンの公式用語集はこのように定義しています。バンドギャップは、価電子帯の上端と伝導帯の下端のエネルギー差です。

定義・解説

材料の中の電子は、決まったエネルギーの帯にいます。原子に束縛されている状態が価電子帯、材料の中を自由に動ける状態が伝導帯です。この2つの帯の間には、電子が居られない隙間があります。それがバンドギャップです。

電気を通すには、電子が伝導帯へ上がる必要があります。上がるのに要るエネルギーが、この隙間の大きさです。

金属では隙間がほぼありません。電子は常に動ける状態にいるため、電気をよく通します。ガラスやセラミックでは隙間が大きく、常温で与えられる程度のエネルギーでは電子は上がれません。だから絶縁体になります。

半導体はその中間にあります。東京エレクトロンの公式用語集は、この幅をおよそ0.7〜6eVとしています。常温では電子はほとんど上がれず、しかし電圧や光、温度を与えれば上がってきます。

バンドギャップの大きさで3つに分かれる

金属では価電子帯と伝導帯の隙間がほぼなく、絶縁体では大きく開いています。半導体はおよそ0.7〜6eVの中間にあり、条件によって通したり止めたりできます。この曖昧さが素子として使える理由です。

純粋な半導体は、そのままでは電流をあまり運びません。役に立つのは、微量の不純物を加えて性質を作り替えられる点です。

東京エレクトロンの公式用語集は、n型半導体について、電圧をかけると自由電子が動いて負の電荷を運び電流を生じると記述し、p型半導体について、正孔が動いて正の電荷を運んで電流を生じると記述しています。

同じシリコンでも、加えるものによって電流を運ぶ主体が変わります。n型とp型を隣り合わせに作れば、境目では一方向にだけ電流が流れやすい構造ができます。トランジスタもダイオードも、この作り分けの組み合わせです。

加えるものを変えると、運び手が変わる

純粋なシリコンには電流の運び手がほとんどいません。加える不純物によって、運ぶ主体が自由電子になるか正孔になるかが決まります。両者を隣り合わせにすると、電流に向きが生まれます。

東京エレクトロンの公式用語集は、シリコンウェハを半導体製造の主要材料とし、99.999999999%の純度の円柱状インゴットへ溶融したうえで、厚さ1mm未満の円盤へスライスして作ると記述しています。

11桁の9が並ぶ純度が要るのは、不純物で性質を作り替える以上、意図しない不純物が混ざれば設計どおりの性質にならないためです。加えるものを厳密に選ぶには、まず何も入っていない状態から始める必要があります。

シリコン以外の選択肢もあります。同ページはSiC（炭化ケイ素）について、絶縁破壊の電界強度がSiの10倍、バンドギャップが3倍広いと記述しています。材料を替えれば、耐えられる電圧や動作温度が変わります。

半導体とは何ですか？

東京エレクトロンの公式用語集は、半導体を、およそ0.7〜6eVという小さなバンドギャップを持つ材料と定義しています。バンドギャップは価電子帯の上端と伝導帯の下端のエネルギー差です。

なぜ「半分」導体なのですか？

電気の通しやすさが導体と絶縁体の中間にあるためです。バンドギャップが小さければ電子は容易に伝導帯へ上がって導体になり、大きければ上がれずに絶縁体になります。半導体はその間にあります。

中間にあることの何が役に立つのですか？

条件によって通したり止めたりできるためです。電圧や光、温度で電子の振る舞いが変わるので、外から与えた信号で電流を制御できます。スイッチや増幅の素子はこの性質の上に成り立ちます。

材料の性質は変えられますか？

変えられます。不純物を加えることで、電流を運ぶ主体を選べます。東京エレクトロンの公式用語集は、n型半導体では電圧をかけると自由電子が動いて負の電荷を運び電流を生じ、p型半導体では正孔が動いて正の電荷を運ぶと記述しています。

なぜシリコンが使われるのですか？

半導体の主要な材料だからです。東京エレクトロンの公式用語集は、シリコンウェハを半導体製造の主要材料とし、99.999999999%の純度の円柱状インゴットへ溶融したうえで厚さ1mm未満の円盤へスライスして作ると記述しています。

シリコン以外の半導体はありますか？

あります。東京エレクトロンの公式用語集は、SiC（炭化ケイ素）について、絶縁破壊の電界強度がSiの10倍、バンドギャップが3倍広いと記述しています。材料を替えると耐えられる電圧や動作温度が変わります。

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