半導体です。 は、導電率が導体と絶縁体の中間にあり、極めて重要なことに、制御可能である材料です。この制御性は、材料の電子構造、特に占有電子状態と非占有電子状態を分離する小さなエネルギーバンドギャップの存在から生じます。科学者や技術者は、温度、露光、電場、ドーピングによる化学組成を調整することで、半導体内を電荷がどのように流れるかを制御します。これらの特性により、半導体は現代エレクトロニクスの基礎材料となり、トランジスタ、集積回路、太陽電池、発光ダイオード、センサー、その他現代社会を支える無数のテクノロジーを可能にします。
重要なポイント:半導体
- 半導体は、制御可能な特定の条件下でのみ電気を伝導します。
- それらの動作は、量子力学とエネルギーバンド理論を使用して説明されます。
- 電流は電子と正孔の両方によって運ばれます。
- ドーピングにより、導電性を制御する慎重に選択された不純物が導入されます。
- 元素半導体は、周期表の半金属の境界近くにあります。
- 半導体により、スイッチング、増幅、センシング、エネルギー変換が可能になります。
半導体とは何ですか?
半導体は、電気伝導率が金属と絶縁体（非金属）の中間の固体材料です。金属では、多くの電子が常に自由に移動できるため、高い導電性が得られます。絶縁体では、電子は原子に強く結合しており、簡単には移動できないため、電流は流れません。半導体は中間点を占めます。通常の条件下では、ほとんどの電子は束縛されていますが、適度な量のエネルギーによって一部の電子が解放され、電荷を運ぶことができます。
半導体の決定的な特性は、単に中間の導電率ではなく調整可能性です。 。半導体は、ある状況ではほぼ絶縁体のように振る舞いますが、別の状況ではむしろ導体のように振る舞います。電流がいつどのように流れるかを制御するこの機能により、電子スイッチング、論理演算、信号増幅が可能になります。
半導体の歴史
特定の材料における異常な電気的挙動の観察は、19 世紀後半にまで遡ります。セレンや酸化銅などの物質は、一方向に他の方向よりも電気をよく通すことが判明しました。これは後に整流と呼ばれる現象です。これらの効果は、完全な理論的説明が存在するずっと前に、初期の光センサーや電波検出器で利用されていました。
半導体の理論的基礎は、量子力学と固体物理学の発展により 20 世紀初頭に出現しました。科学者たちは、固体中の電子は離散的な原子エネルギー準位を占有するのではなく、バンドと呼ばれる許容エネルギーの範囲を満たすことを学びました。この洞察は、なぜ一部の材料は容易に電気を伝導し、他の材料はほとんど電気を伝導せず、一部の材料は特定の条件下でのみ電気を伝導するのかを説明しました。
大きな技術的転換点は 1947 年にトランジスタの発明によって起こりました。トランジスタは、半導体がアンプやスイッチとして真空管に取って代わり、サイズ、信頼性、エネルギー効率が大幅に向上することを実証しました。この画期的な進歩により、現代のエレクトロニクスの基礎が築かれました。
その後の数十年間で、精製、結晶成長、微細加工の進歩により集積回路の開発が可能になり、単一の材料上に多くのトランジスタを製造できるようになりました。継続的な拡張と改良により、今日のコンピュータ、スマートフォン、通信ネットワークに動力を供給するマイクロプロセッサとメモリ デバイスが誕生しました。
半導体研究は進化し続けており、小型化、熱管理、電力効率、オプトエレクトロニクス、量子技術に関連する課題に取り組んでいます。
主要人物と出来事の厳選されたタイムライン
- 1873 年 :セレンで観察される光伝導性
- 1900 年代初頭 :無線技術で使用される水晶整流器
- 1930 年代 :エネルギーバンド理論の発展
- 1947 年 :最初に動作するトランジスタが実証されました
- 1958 年 :集積回路の発明
- 1970 年代～現在 :半導体デバイスの急速なスケーリングとマイクロエレクトロニクスの台頭
半導体材料
半導体材料は、同様の電子的挙動によって統一された多様な種類の固体を形成します。それらは元素、化合物、または有機物である可能性があります。それらの特性は、原子結合と結晶構造に大きく依存します。
元素半導体と周期表
元素半導体は、その原子構造が半導体挙動をもたらす単一元素材料です。それらは周期表上の金属と非金属の境界近くにあり、半金属領域と呼ばれることがよくあります。この領域の原子は、金属ほど簡単に電子を放出することも、非金属ほど電子をしっかりと保持することもありません。代わりに、隣接する原子間で電子が共有される拡張された共有結合ネットワークを形成します。
- シリコン
シリコンは現代のテクノロジーにおいて最も重要な半導体です。各シリコン原子は、電子の動きの制御を可能にする硬い結晶格子内に 4 つの共有結合を形成します。 - ゲルマニウム
ゲルマニウムは同様の結合構造を持っていますが、バンドギャップが小さいため、高速アプリケーションや赤外線アプリケーションに役立ちます。
化合物半導体
化合物半導体は 2 つ以上の元素で構成されており、多くの場合、電子特性を調整するために周期表の異なるグループから選択されます。
- ガリウムヒ素
ガリウムヒ素はシリコンよりも高い電子移動度を備え、高周波エレクトロニクスやオプトエレクトロニクスで広く使用されています。 - 炭化ケイ素
炭化ケイ素は高温および高電圧でも確実に動作するため、パワー エレクトロニクスにおいて価値があります。 - テルル化カドミウム
テルル化カドミウムは、薄膜太陽電池によく使用されます。
有機半導体
有機半導体は、非局在化した分子軌道を通じて電荷輸送が起こる炭素ベースの分子またはポリマーです。これらにより、フレキシブル ディスプレイ、有機 LED、軽量電子デバイスが可能になりますが、通常は無機半導体よりも性能が低くなります。
半導体の基本特性
半導体は、導体や絶縁体と区別し、デバイス内での動作を決定する一連の特徴的な特性を共有しています。
エネルギーバンド構造
結晶内では、許容された電子エネルギーがバンドを形成します。 価電子帯 は原子に結合した電子を含み、 一方伝導帯は 結晶中を自由に移動できる電子が含まれています。 バンドギャップ 半導体では、これらのバンドの分離は通常の条件下で電子が通過できるほど十分に小さいですが、一定の伝導を妨げるには十分な大きさです。
温度依存性
温度が上昇すると、より多くの電子がバンドギャップを越えるのに十分なエネルギーを獲得します。これにより、ほとんどの金属の挙動とは逆に、温度の上昇に伴って導電率が増加します。
チャージキャリア
半導体内の電流は電子によって運ばれます。 伝導帯と穴にあります。 価電子帯で。正孔は失われた電子を表し、正に帯電したキャリアとして動作します。
光学感度
電子は光によってバンドギャップを超えて励起されるため、半導体は照明に強く反応します。このプロパティにより、光検出器、カメラ、太陽電池が有効になります。
半導体の種類
半導体は、純度、組成、電子的挙動に基づいて分類されます。
真性半導体
真性半導体は、意図的な不純物を含まない化学的に純粋な材料です。その導電率は熱で生成された電子正孔対からのみ生じ、室温では比較的低くなります。
外部半導体
外部半導体には、ドーパントと呼ばれる、慎重に制御された少量の不純物原子が含まれています。 。これらの不純物は追加の電荷キャリアを導入し、導電性を劇的に高めます。
n 型半導体
n 型半導体には、ホスト材料よりも多くの価電子を持つ原子がドープされています。これらのドーパントは、伝導帯に余分な電子を与え、電子を多数キャリアにします。
p 型半導体
p 型半導体には、ホスト材料より価電子の少ない原子がドープされています。これらのドーパントは価電子帯に穴を形成し、その穴が多数キャリアになります。
ワイドバンドギャップ半導体
ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンやゲルマニウムよりも大きなバンドギャップを持っています。これらは、高電力、高周波数、高温のアプリケーションに適しています。
半導体材料の準備
半導体には、並外れた純度と構造精度が必要です。微量の不純物であっても、電気的動作に大きな影響を与える可能性があります。
通常、準備には、原料を極めて高純度に精製し、単結晶インゴットを成長させ、それらをスライスしてウェーハにし、制御された量のドーパントを導入することが含まれます。次に、高度な製造技術により、ウェハ上に微細な構造をパターン化し、機能的なデバイスを作成します。
半導体の仕組み
半導体がどのように機能するかを理解するには、原子構造、量子力学、電荷輸送を結び付ける必要があります。
エネルギーバンドと電子の運動
結晶内で原子が結合すると、それらの原子軌道が重なり、連続したエネルギーバンドが形成されます。電子が価電子帯を占めるか伝導帯を占めるかによって、電流が流れるかどうかが決まります。
電荷の生成と再結合
電子は熱エネルギーまたは光によって伝導帯に励起され、正孔が残ることがあります。電子が正孔と再結合すると、エネルギーが熱または光として放出されます。生成と再結合のバランスによって、導電性と発光が制御されます。
ドーピングとドーパントの役割
ドーピングには、結晶格子内の原子の一部を異なる元素で置き換えることが含まれます。 ドーパント ホスト材料に対する価電子数と、構造を破壊することなく格子に適合する能力に基づいて選択されます。たとえば、シリコンに 5 価電子原子を追加すると余分な電子が導入され、3 価電子原子を追加すると正孔が生成されます。ドーパントを使用すると、エンジニアは電気的挙動が予測可能な材料を設計できます。
p-n ジャンクション
p 型領域と n 型領域が接触すると、移動キャリアが不足する空乏領域が形成されます。この接合により、電流が一方向に優先的に流れることが可能になり、ダイオード、トランジスタ、集積回路の基礎を形成します。
エネルギー伝達:フォトンとフォノン
電荷キャリアが半導体内で移動して再結合するとき、エネルギー伝達には電流だけでなく光と熱も関係します。これらのエネルギー伝達プロセスには光子が含まれます。 そしてフォノン これらは、半導体デバイスの発光、発熱、効率限界を理解する上で中心となります。
伝導帯の電子が価電子帯の正孔と再結合するとき、2 つの状態間のエネルギー差を解放する必要があります。一部の半導体では、 このエネルギーは光子として直接放出されます。 、電磁放射の量子。このプロセスにより、発光ダイオードやレーザー ダイオードなどのデバイスで光が生成されます。放出される光の波長 (および色) は、主に半導体のバンドギャップ エネルギーによって決まります。
間接バンドギャップにおいて 半導体では、電子と正孔の運動量もエネルギーも異なるため、電子と正孔の再結合は光子の放出だけでは起こりません。運動量を維持するには、 再結合プロセスにフォノンが関与する必要があります。 、格子振動の量子。フォノンによる再結合は、エネルギーの大部分を光ではなく熱として放出します。これが、シリコンのような材料が非効率的な発光体である理由を説明しています。
フォノンはまた、半導体の挙動においてより広範な役割を果たします。電荷キャリアと格子振動の間の相互作用はキャリアの移動度を制限し、電気抵抗の原因となります。フォノンに伝達されたエネルギーは熱として現れるため、熱管理は半導体デバイスの設計と動作において基本的な考慮事項となります。
直接バンドギャップ半導体と間接バンドギャップ半導体
直接バンドギャップで 半導体では、伝導帯の最小エネルギーは運動量空間の価電子帯の最大エネルギーと一致します。これにより、電子が正孔と再結合し、効率的に光を放出できるようになります。
間接バンドギャップにおいて 半導体では、伝導帯の最小値と価電子帯の最大値が異なる運動量で発生します。再結合には追加の相互作用が必要となり、発光効率が低下します。この区別により、 なぜガリウムヒ素のような材料が使用されるのかが説明されます。 LED やレーザーに使用されるのに対しシリコンは そうではありません。
p-n 接合から構築された半導体デバイス
p-n 接合は、多くの半導体デバイスの構成要素です。
- ダイオード 電流が一方向に流れることを許可します。
- バイポーラ接合トランジスタ 電気信号を増幅または切り替えます。
- 電界効果トランジスタ 電場を使用して電流を制御する
- 太陽電池とフォトダイオード 光を電気信号に変換する
多くの重要な電子コンポーネントは、p-n 接合および関連構造を使用して構築されています。
純度が重要な理由:欠陥と本物の結晶
本物の結晶は完璧ではありません。原子の欠落、転位、意図しない不純物などの欠陥は、電荷キャリアを捕らえたり、再結合を促進したりします。半導体デバイスは正確なキャリア制御に依存しているため、何十億個もの意図しない不純物原子が 1 個でも性能に影響を与える可能性があります。この敏感さは、半導体製造が複雑でコストがかかる理由を説明しています。
キャリア移動度と電気伝導度
電気伝導度はキャリア濃度だけでなく移動度にも依存します。 、キャリアがどれだけ容易に格子を移動するかを示す尺度。移動度は格子振動、不純物、欠陥に依存します。移動度の高い材料により、デバイスの動作が高速化されます。
導体と絶縁体との比較
導体は重なり合うエネルギーバンドと豊富な自由電子を持っています。絶縁体には大きなバンドギャップがあり、キャリアの生成を防ぎます。半導体はこれらの両極端の間に位置し、適度なバンドギャップにより伝導の制御が可能になります。
半導体の応用
半導体は正確な電気制御を可能にするため、多くの業界で応用されています。
- エレクトロニクスとコンピューティング :論理回路、プロセッサ、メモリ、集積回路は、半導体のスイッチング動作に依存しています。
- エネルギー変換とパワー エレクトロニクス :太陽電池は光を電気に変換し、パワー半導体は電気システムの電圧と電流を調整します。
- 照明とディスプレイ :発光ダイオードとレーザー ダイオードは、効率的で制御可能な光を提供します。
- コミュニケーション: 半導体は、無線送信機、受信機、光ファイバー システム、衛星電子機器を可能にします。
- 医学および科学機器 :半導体センサーと検出器は、イメージング、診断、分析機器でよく使われます。
半導体に関するよくある誤解
- 半導体は金属と絶縁体の中間で伝導します。
導電率は中間ですが、重要な違いは導電率が制御可能であることです。 。温度、光、ドーピングによって、何桁も変化する可能性があります。 - 正孔は電子のような物理的な粒子です。
穴は実際の粒子ではありません。これは価電子帯に電子が存在しないことを表し、他の電子が価電子帯を満たすために移動するため、正に帯電したキャリアのように動作します。 - ドーピングは材料に自由電子を追加するだけです。
ドーピングにより、電子を供与する (n 型) か電子を受け取って正孔 (p 型) を生成する不純物原子が導入されます。過剰な電子を追加するだけではなく、バンド構造とキャリア濃度を変更します。 - 半導体は常に固体であり、結晶です。
ほとんどの半導体は結晶固体ですが、アモルファス半導体（a-Si など）、多結晶膜、有機半導体もあり、液体または柔軟な形状で存在するものもあります。 - シリコンは光を発するため、LED に役立ちます。
シリコンには間接的なバンドギャップがあるため、ほとんどの電子と正孔の再結合では光ではなく熱が発生します。ガリウムヒ素のような直接バンドギャップ材料は、効率的な発光をもたらします。 - p-n 接合は常に電気を伝導します。
p-n 接合は順バイアス下でのみ導通します。逆バイアス下では、破壊されるまで電流の流れがブロックされます。この一方向の動作は、ダイオードと整流器にとって不可欠です。
よくある質問
現代のエレクトロニクスに半導体が不可欠なのはなぜですか?
電流の正確なスイッチング、増幅、制御が可能になります。
半導体は金属ですか、それとも非金属ですか?
それらは両方とは異なり、多くの場合、周期表の半金属境界近くにあります。
半導体を扱うエンジニアはどのような人ですか?
電気エンジニア、材料エンジニア、化学エンジニア、応用物理学者、半導体プロセス エンジニア。
半導体は光を発することができますか?
はい。電子と正孔の再結合により、エネルギーが光子として放出されることがあります。
用語集
バンドギャップ: 価電子帯 (電子で満たされている) と伝導帯 (電子が自由に移動できる) の間のエネルギー差。マテリアルが導体、絶縁体、半導体のいずれであるかを決定します。
キャリアのモビリティ: 電場にさらされたときに、電子または正孔が物質中を移動する速度の尺度。
充電キャリア: 物質を通して電荷を運ぶ粒子 (電子または正孔)。
伝導帯: 電子が自由に移動し、電流を流すことができる固体内のエネルギー レベルの範囲。
結晶格子: シリコンのような固体材料における規則正しく繰り返される原子構造。格子欠陥は、導電性とキャリアの動きに影響を与える可能性があります。
直接バンドギャップ: 電子が正孔と直接再結合し、光子を効率的に放出できるバンド構造 (LED やレーザーに適しています)。
ドーパント: 余分な電子 (n 型) または正孔 (p 型) を生成するために半導体に導入される不純物原子。一般的なドーパントには、リン、ホウ素、アンチモンなどがあります。
ドーピング: 電子または正孔の数を増やすことによって半導体の電気的特性を変更するために、意図的に不純物原子を半導体に追加するプロセス。
電子: マイナスに帯電した亜原子粒子。半導体では、電子は伝導帯に移動し、移動電荷キャリアとして機能します。
外部半導体: ドーパントによって導入された電子または正孔を使用して導電性を備えた、ドープされた半導体。
穴: 価電子帯に電子が存在しないことを表す概念的な正電荷。正孔は、半導体内で移動性の正電荷キャリアとして機能します。
間接バンドギャップ: 電子と正孔の再結合にフォノンの関与が必要なバンド構造により、光子の放出が非効率になります (シリコンなど)。
真性半導体: 意図的なドーピングを含まない純粋な半導体材料。電気伝導は、熱によって生成された電子と正孔のペアから発生します。
n 型半導体: 伝導帯に余分な電子を供給するドナー原子がドープされた半導体。電子が多数の電荷担体になります。
p-n 接合: p型半導体とn型半導体の間に形成される境界。これは電流が一方向に流れることを可能にし、多くの電子機器の基礎となります。
p 型半導体: アクセプター原子がドープされた半導体。価電子帯に正孔を生成し、正孔を多数の電荷キャリアにします。
フォノン: 格子振動の量子 (機械エネルギー)。間接バンドギャップ半導体では、フォノンは運動量を保存することで電子と正孔の再結合を助けます。
フォトン: 電磁放射（光）の量子。直接バンドギャップ半導体における電子と正孔の再結合中に放出されます。
組み換え: 電子が伝導帯から価電子帯の正孔に落ちて、光または熱としてエネルギーを放出するプロセス。
半導体: 導体と絶縁体の間の電気伝導率を持ち、温度、光、電場、またはドーピングによって伝導率を制御できる材料。
価電子帯: 原子に結合され、自由に電気を伝導できない電子で満たされたエネルギー レベルの範囲。
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