1. Semiconductor 半導体について学んでみましょう
今日も夜遅くにふと勉強していたとき、今では自分にとってはなじみのある言葉なのに、最初に見たときには本当に聞き慣れなかった 半導体 という用語が目に留まりました。
半導体、つまり semiconductor とは何でしょうか。
最近は話題の中心になることも多く、株式市場でもよく耳にする半導体について、今回は少し整理してみたいと思います。
図1. シリコンウェハー
1. 半導体とは
半導体は、条件によって電流を流しやすくしたり、流れにくくしたりできる、産業的に非常に重要な材料です。
また、ドーピング、温度、電場、光などの条件によって、電気伝導性を大きく変化させることができます。
半導体は、価電子帯 valence band と伝導帯 conduction band から成り、その間にあるバンドギャップによってエネルギー差が生じます。
そして、キャリアである正孔 hole と電子 electron を利用することで、私たちが望む電気的・光学的な特性を得ることができます。
代表的な応用先としては、LED、太陽電池、センサーなどがあり、電子産業やエネルギー変換技術の基盤となっています。
2. 半導体の一行定義
半導体とは、固体内部で電子のエネルギー状態がバンドとして形成され、
バンドギャップ Eg が適切な大きさを持つことで、電子と正孔が生成・移動できる物質です。
キーワード
- バンド構造 band structure
- バンドギャップ Eg
- 電子 electron
- 正孔 hole
図2. 価電子帯、伝導帯、バンドギャップ Eg の概念図
産業ではどのように応用されているのでしょうか
半導体の最大の価値は、どの程度電流を流すかを素子設計によって実現できる点にあります。
特に、必要なときに電流を流し、必要でないときには止めることができるという点が大きな強みです。
導体はバンドギャップがほとんどないため、電流が常に流れやすいです。
一方で絶縁体はバンドギャップが大きすぎるため、電流を流しにくいです。
この二つの中間にあるのが半導体です。
一定のエネルギーを与えることで、電流を流すことも、流れにくくすることもできます。
3. 核心原理 3つ
3.1 バンド構造 band structure とバンドギャップ band gap
固体中で電子は、任意のエネルギー値をとるわけではなく、主に価電子帯 valence band と伝導帯 conduction band に分布します。
この二つのバンドの間にあるエネルギー差がバンドギャップ Eg です。
一般に、Eg が小さいほど熱や光によってキャリアが生成されやすくなる傾向があります。
Eg は、光の吸収や発光とも直接関係しています。
3.2 電荷キャリア 電子と正孔
半導体における電流は、電子と正孔によって運ばれます。
正孔とは、実際に正電荷をもつ粒子が移動するというよりも、価電子帯の中で電子が抜けて空いた状態を表すための概念です。
簡単なたとえで言えば、雨が降ると水が谷へ流れ込むように、電子は正孔がある空いた場所へ移動しやすいと考えることができます。
3.3 ドーピングと p型、n型
半導体におけるドーピングとは、ごく少量の不純物を意図的に加えて、バンド構造を望ましい方向に制御する技術です。
ドーピングによって n型半導体または p型半導体が作られ、p-n 接合は多くの素子の基本構造となります。
n型は、電子を1つ余分に与えることができる元素を添加し、伝導帯のすぐ下に少数の準位を形成するドーピングです。
p型は、価電子が1つ少ない元素をドープすることで、価電子帯のすぐ上に電子の入っていない準位を作り、結果として正孔が存在しやすい状態をつくるドーピングです。
図3. p-n 接合、空乏層、拡散とドリフトの概念図
4. 代表的な応用
4.1 論理演算とスイッチング トランジスタ
トランジスタは、電場を利用してチャネルの伝導度を変化させ、ON と OFF を実現する素子です。
CMOS 集積回路は、現代のコンピューティングを支える中核的な構造です。
身近な例
CPU やメモリは、トランジスタのスイッチングによって 0 と 1 を処理しています。
素子のスケールが小さくなるほど、リーク電流、界面欠陥、劣化現象などが性能を大きく左右します。
図4. MOSFET 断面の概念図
4.2 パワー半導体
パワー半導体は、高電圧、高電流、高周波環境において、電力損失を減らし、熱管理を可能にする素子や材料を扱う分野です。
代表的な材料
- Si: 成熟したプロセス技術と低コストが強み
- SiC: 高電圧、高温環境に有利で、電気自動車のインバータなどで利用が拡大
- GaN: 高周波、高効率電源装置に有利
4.3 光との相互作用 LED、太陽電池、フォトディテクター
バンドギャップは、光の吸収波長や発光波長を決める重要な因子です。
LED は電子と正孔の再結合によって光を放出し、太陽電池は光吸収によって生成されたキャリアを分離して電流を生み出します。
図5. LED における再結合と発光の概念図
4.4 光触媒としての利用
このような半導体の性質はさまざまな形で活用できますが、その代表例の一つが光触媒です。
身近な例
電子と正孔を分離できることを利用して、photoanode の役割を果たす部分と photocathode の役割を果たす部分で、それぞれ望ましい反応を得ることができます。
また、触媒の構成要素を変えたり、ドーピングや co-catalyst などの手法を用いたりすることで、反応性を調整することもできます。
5. まとめ
半導体は、バンド構造とバンドギャップを基盤として、条件によって電気伝導性が大きく変化する材料です。
電子と正孔の濃度や移動度、ドーピング、接合設計が素子性能を大きく左右します。
トランジスタ、パワー半導体、LED、太陽電池、センサーなど、さまざまな産業分野で重要な役割を果たしています。
さらに、半導体の性質は触媒や再生可能エネルギーの分野にも応用されており、関連研究は現在も非常に活発に進められています。
みなさんも勉強頑張りましょう。
もし誤っている部分や補足したほうがよい点があれば、ぜひ教えてください。
