半導体 （semiconductor）

下図左は硅素原子（シリコン： silicon ） です。 ４価の原子で、電気伝導に寄与する電子 （価電子） を４個持っています。

その右隣は砒素原子 (arsenic) です。 ５価の原子で、価電子を５個持っています。
シリコンなどの半導体に不純物として極微量含まれると、 n型半導体 になります。

そのまた右隣は硼素原子 (boron) です。 ３価の原子で、価電子を３個持っています。
やはりシリコンなどの半導体に不純物として極微量加えられて、 p型半導体 になります。

そのまた右隣のピンクの小さい円は正孔 (hole) 、 右端のブルーの円は電子 (electron) です。

下図はシリコンの結晶を図にしたものです。シリコン 100％ の、真性半導体です。

まず、"ON" ボタンをクリックしてみて下さい。
半導体に電圧が加えられます。 左に 、 右に 、のマークが表示されます。 しかし、それ以外の変化は何も起こりません。
シリコンは４個の電子を持っていますが、規則正しく並んだ結晶では、 隣のシリコン原子と電子を共有して、それぞれが８個の電子を持っているように見えます。 このような状態の電子は、あまり自由に動けません。 従って電流も殆ど流れません。「半導体」 といわれるゆえんです。
"OFF" ボタンをクリックして下さい。

つぎに、"N" ボタンをクリックしてから、 図のシリコン原子のどれかを選んでクリックして下さい。
そこに１個の砒素原子が不純物として加えられます 。
砒素は５個の電子を持っていますから、余った１個の電子は、 他の電子より自由に動くことができます。
"ON" ボタンをクリックして下さい。
電子はマイナスの電気を持っているので、プラスの電極に向かって動きだします。 電子がプラス極に到達すると、新たにマイナス極から電子が供給されます。 このようにして、n型半導体の中では、電子が動いて、電流が流れます。
"OFF" ボタンをクリックして下さい。

今度は、"P" ボタンをクリックしてから、 図のシリコン原子のどれかを選んでクリックして下さい。
そこに１個の硼素原子が不純物として加えられます。 硼素は３個しか電子を持たないので、電子のない空席ができます。これを正孔といいます。
"ON" ボタンをクリックして下さい。
p型半導体に電圧がかけられると、電子はすべてプラスの電極に動こうとします。
しかし、８個の電子で満たされている原子の電子は容易に動けないのに対して、 硼素不純物原子と隣あっている、７個の電子しか持たない原子の電子は動き易いので、 プラスの電極に近づこうとして、正孔に向かって動きます。 正孔は電子で埋められ、もと電子のあった場所が、新たな正孔になります。 近くの電子が、また新しい正孔に向かって動きだして……
実際は電子が動いて順次正孔を電子で埋めているのですが、 正孔がマイナスの電極に向かって動いているように見えます。 正孔は単なる電子の空席ですが、あたかもプラスの電気を持った電子のようにふるまいます。

関連事項：　ダイオード   トランジスタ

情報処理概論 に戻る   講義資料 に戻る   戻る  

update: 2005.06.21   ueyama@infonet.co.jp