半導体とは

自然界には、電気の導体の他に、金属導体よりも電気伝導率が大幅に低い物質が数多くあります。この種の物質は半導体と呼ばれます。

半導体には、セレン、シリコン、ゲルマニウムなどの特定の化学元素、硫化タリウム、硫化カドミウム、硫化銀などの硫黄化合物、カーボランダムなどの炭化物、炭素（ダイヤモンド）、ホウ素、錫、リン、アンチモン、ヒ素、テルル、ヨウ素が含まれます。 、およびメンデレーエフ体系の 4 ～ 7 グループの元素の少なくとも 1 つを含む多数の化合物。有機半導体もあります。

半導体の電気伝導度は、半導体基材に含まれる不純物の種類や構成部品の製造技術によって決まります。

半導体 — を含む物質 電気伝導性 10-10 — 104 (オーム x cm)-1 は、これらの特性によって導体と絶縁体の間に位置します。バンド理論による導体、半導体、絶縁体の違いは次のとおりです。純粋な半導体と電子絶縁体では、充填（価電子）帯と伝導帯の間に禁制エネルギー帯があります。

半導体が電流を流す理由

半導体は、その不純物原子の外側の電子がそれらの原子の核に比較的弱く結合している場合、電子伝導性を持ちます。このタイプの半導体に電場が生成されると、この場の力の影響を受けて、半導体の不純物原子の外側の電子が原子の境界から離れて自由電子になります。

自由電子は、電界の力の影響下で半導体内に導電電流を生成します。したがって、導電性半導体における電流の性質は金属導体の場合と同じです。しかし、半導体の単位体積当たりの自由電子の数は金属導体の単位体積当たりの何倍も少ないため、他のすべての条件が同じであれば、半導体の電流は金属導体の何倍も小さくなるのは当然です。導体。

半導体は、その不純物の原子が外側の電子を放棄しないだけでなく、逆に半導体の主物質の原子の電子を捕獲する傾向がある場合、「正孔」伝導性を持ちます。不純物原子が主物質の原子から電子を奪うと、後者には電子のための一種の自由空間、つまり「正孔」が形成されます。

電子を失った半導体原子は「電子正孔」または単に「正孔」と呼ばれます。「正孔」が隣接する原子から移送された電子で満たされると、その電子は消滅して原子は電気的に中性になり、「正孔」は電子を失った隣接する原子に移動します。したがって、「正孔」伝導性を有する半導体に電場が印加されると、「電子正孔」はこの場の方向に移動します。

電界の作用方向における「電子正孔」の偏りは、電界内の正電荷の移動に似ており、したがって半導体内の電流現象となります。

半導体は、「正孔」導電性とともに、ある程度の電子導電性を有する可能性があるため、導電性のメカニズムに従って厳密に区別することはできません。

半導体には次のような特徴があります。

• 導電性のタイプ (電子 - n 型、正孔 - p 型)。

• 抵抗;

• 電荷キャリアの寿命（少数）または拡散長、表面再結合速度。

• 転位密度。

以下も参照してください。 半導体の電流電圧特性 シリコンは最も一般的な半導体材料です

温度は半導体の特性に影響を与える存在です。その増加は主に抵抗の減少につながり、その逆も同様です。半導体はマイナスイオンの存在を特徴としています。 抵抗温度係数…絶対零度に近づくと、半導体は絶縁体になります。

多くのデバイスは半導体に基づいています。ほとんどの場合、それらは単結晶の形で得られなければなりません。望ましい特性を与えるために、半導体にはさまざまな不純物がドープされます。出発半導体材料の純度に対する要件が厳しくなっています。

半導体デバイス

半導体熱処理

半導体の熱処理 - 電気物理的特性を変更するために、所定のプログラムに従って半導体を加熱および冷却します。

変化: 結晶変性、転位密度、空孔または構造欠陥の濃度、導電性の種類、濃度、移動度、および電荷キャリアの寿命。さらに、最後の 4 つは、不純物と構造欠陥の相互作用、または結晶バルク内での不純物の拡散に関連している可能性があります。

ゲルマニウムサンプルを 550 °C 以上の温度に加熱し、その後急速に冷却すると、温度が高くなるほど高濃度のサーマルアクセプターが出現します。その後、同じ温度でアニールすると、初期の抵抗が回復します。

この現象の考えられるメカニズムは、表面から拡散するか、または以前に転位上に堆積されていたゲルマニウム格子内の銅の溶解です。アニーリングが遅いと、銅が構造欠陥上に堆積し、格子から出てしまいます。急速冷却中に新たな構造欠陥が現れる可能性もあります。どちらのメカニズムも寿命を短縮する可能性があり、これは実験的に確立されています。

350〜500°の温度のシリコンでは、サーマルドナーの形成が高濃度で発生し、結晶成長中により多くの酸素がシリコンに溶解します。より高い温度では、熱供与体は破壊されます。

700〜1300°の範囲の温度に加熱すると、少数電荷キャリアの寿命が大幅に短縮されます（1000°を超えると、表面からの不純物の拡散が決定的な役割を果たします）。シリコンを1000～1300°で加熱すると、光の吸収と散乱に影響を与えます。

半導体の応用

現代の技術では、半導体が最も幅広い用途に使われています。それらは技術の進歩に非常に強い影響を与えてきました。これらのおかげで、電子機器の重量と寸法を大幅に削減することができます。エレクトロニクスのあらゆる分野の発展は、半導体デバイスに基づく多数の多様な機器の作成と改良につながります。半導体デバイスは、マイクロセル、マイクロモジュール、ハード回路などの基礎として機能します。

半導体デバイスをベースにした電子デバイスは実質的に慣性がありません。慎重に構築され、しっかりと密閉された半導体デバイスは、数万時間使用できます。ただし、一部の半導体材料 (ゲルマニウムなど) には温度制限が小さいものもありますが、それほど難しい温度補償ではなく、デバイスのベース材料を別の材料 (シリコン、炭化シリコンなど) に置き換えることで、この欠点は大幅に解消されます。半導体デバイス製造技術の進歩により、依然として存在するパラメータのばらつきと不安定性が減少します。

エレクトロニクスにおける半導体

半導体で形成される半導体と金属の接触および電子と正孔の接合（n-p 接合）は、半導体ダイオードの製造に使用されます。二重接合 (p-n-p または n-R-n) — トランジスタとサイリスタ。これらのデバイスは主に電気信号の整流、生成、増幅に使用されます。

半導体の光電特性は、フォトレジスタ、フォトダイオード、フォトトランジスタの作成に使用されます。半導体は発振器（増幅器）の能動部分として機能します。 半導体レーザー… 電流が pn 接合を順方向に通過すると、電荷キャリア (電子と正孔) が光子の放出と再結合し、これを使用して LED が生成されます。

LED

半導体の熱電特性により、半導体熱電抵抗、半導体熱電対、熱電対と熱電発電機、ペルチェ効果に基づく半導体の熱電冷却、つまり熱電冷凍機や熱安定器の作成が可能になりました。

半導体は、電気における機械的熱および太陽エネルギー変換器、つまり熱電発電機および光電変換器（太陽電池）に使用されます。

半導体に機械的ストレスが加わると電気抵抗が変化し（その影響は金属よりも強い）、これが半導体ひずみゲージの基礎です。

半導体デバイスは世界中で普及し、エレクトロニクスに革命をもたらし、以下の開発と生産の基礎として機能します。

• 測定機器、コンピューター、

• あらゆる種類の通信および輸送用の機器、

• 産業プロセスオートメーション向け、

• 研究機器、

• ロケット、

• 医療機器

• その他の電子機器およびデバイス。

半導体デバイスを使用すると、新しい機器を作成したり、古い機器を改良したりすることができます。つまり、機器のサイズ、重量、消費電力が削減され、回路内の発熱が減少し、強度が増し、すぐに動作できるようになります。電子機器の耐用年数と信頼性を向上させることができます。