この投稿では、半導体デバイスの基本的な動作原理と、電気の影響下で半導体の内部構造がどのように機能するかについて包括的に学びます。
これらの半導体材料間の抵抗値は、完全な導体特性も完全な絶縁体も持っておらず、これら2つの限界の間にあります。
この特徴は、材料の半導体特性を定義するかもしれませんが、半導体が導体と絶縁体の間でどのように機能するかを知ることは興味深いでしょう。
抵抗率
オームの法則によれば、電子デバイスの電気抵抗は、コンポーネントを流れる電流に対するコンポーネントの両端の電位差の比率として定義されます。
現在、抵抗測定を使用すると1つの問題が発生する可能性があります。抵抗材料の物理的寸法が変化すると、その値が変化します。
たとえば、抵抗性材料の長さが長くなると、その抵抗値も比例して増加します。
同様に、その厚さが増加すると、その抵抗値は比例して減少します。
ここでの必要性は、そのサイズ、形状、または物理的外観に関係なく、電流に対する伝導または反対の特性を示す可能性のある材料を定義することです。
この特定の抵抗値を表す大きさは抵抗率として知られており、記号ρ、（Rho）があります。
抵抗率の測定単位はオームメーター（Ω.m）で、導電率の逆数のパラメータとして理解できます。
いくつかの材料の抵抗率を比較するために、これらは導体、絶縁体、および半導体の3つの主要なカテゴリに分類されます。以下のチャートは、必要な詳細を提供します。
上の図からわかるように、金や銀などの導体の抵抗率にはごくわずかな違いがありますが、石英やガラスなどの絶縁体の抵抗率にはかなりの違いがある可能性があります。
これは、周囲温度への応答により、金属が絶縁体よりも非常に効率的な導体になるためです。
指揮者
上記のチャートから、導体の抵抗率が最も低く、通常はマイクロオーム/メートルであることがわかります。
それらの低い抵抗率のために、大量の電子の利用可能性のために、電流はそれらを容易に通過することができます。
ただし、これらの電子は、それらが導体の両端の圧力である場合にのみ押すことができ、この圧力は、導体の両端に電圧を印加することによって形成できます。
したがって、導体に正/負の電位差がかかると、導体の各原子の自由電子が親原子から追い出され、導体内を漂流し始めます。これは一般に電流の流れとして知られています。 。
これらの電子が移動できる程度は、電圧差に応じて、原子から解放されるのがどれだけ簡単かによって異なります。
金属は一般に電気の良い導体と考えられており、金属の中で、金、銀、銅、アルミニウムが整然とした最良の導体です。
これらの導体は、原子の価電子帯に電子がほとんどないため、電位差によって簡単に外れ、「ドミノ効果」と呼ばれるプロセスを通じて1つの原子から次の原子にジャンプし始め、その結果、電流が流れます。指揮者。
金と銀は電気の最良の導体ですが、銅とアルミニウムは、その低コストと豊富さ、そして物理的な頑丈さから、ワイヤーとケーブルの製造に適しています。
銅とアルミニウムは優れた電気伝導体であるという事実にもかかわらず、100％理想的なものはないため、抵抗があります。
これらの導体によって提供される抵抗は小さいですが、より高い電流を流すと大きくなる可能性があります。最終的に、これらの導体の大電流に対する抵抗は熱として放散されます。
絶縁体
導体とは対照的に、絶縁体は電気の悪い導体です。これらは一般に非金属の形をしており、親原子との脆弱な電子や自由電子はほとんどありません。
つまり、これらの非金属の電子はそれらの親原子と緊密に結合しており、電圧を印加しても除去するのは非常に困難です。
この特徴により、電圧が印加されると、電子は原子から離れることができず、電子の流れがなくなり、伝導が起こりません。
この特性により、絶縁体に対する抵抗値が非常に高くなり、数百万オームのオーダーになります。
ガラス、大理石、PVC、プラスチック、石英、ゴム、雲母、ベークライトなどの材料は、優れた絶縁体の例です。
導体と同じように、絶縁体も同様に電子機器の分野で重要な役割を果たします。絶縁体がないと、回路ステージ間の電圧差を分離することができず、短絡につながります。
たとえば、ケーブルを介してAC電力を安全に伝送するために、高圧鉄塔で磁器とガラスが使用されていることがわかります。ワイヤでは、正、負の端子を絶縁するためにPVCを使用し、PCBでは、銅トラックを互いに分離するためにベークライトを使用します。
半導体の基礎
シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ガリウムヒ素などの材料は、基本的な半導体材料に分類されます。これらの材料は、電気を中間的に伝導し、適切な伝導も適切な絶縁も生じないという特性を持っているためです。この特性のため、これらの材料は半導体と呼ばれています。
これらの材料は、原子全体で自由電子をほとんど示さず、結晶格子のような形で密にグループ化されています。それでも、電子は移動して流れることができますが、それは特定の条件が採用されている場合に限られます。
そうは言っても、結晶レイアウトにある種の「ドナー」または「アクセプター」原子を導入または置換することにより、これらの半導体の伝導率を高めることが可能になり、余分な「自由電子」および「正孔」またはその逆の放出が可能になります。その逆。
これは、シリコンやゲルマニウムなどの既存の材料に一定量の外部材料を導入することによって実装されます。
シリコンやゲルマニウムのような材料は、それ自体、その極端に純粋な化学的性質と完全な半導体材料の存在により、真性半導体として分類されます。
これはまた、制御された量の不純物をそれらに適用することにより、これらの固有の材料の伝導率を決定できることを意味します。
これらの材料にドナーまたはアクセプターと呼ばれる種類の不純物を導入して、自由電子または自由正孔のいずれかでこれらを強化することができます。
これらのプロセスでは、1000万個の半導体材料原子あたり1個の不純物原子の割合で不純物が真性材料に添加される場合、それは次のように呼ばれます。 ドーピング 。
十分な不純物を導入することで、半導体材料をN型またはP型の材料に変えることができます。
シリコンは最も人気のある半導体材料の1つであり、その最外殻全体に4つの価電子があり、隣接する原子に囲まれて、合計8つの電子の軌道を形成しています。
2つのシリコン原子間の結合は、1つの電子を隣接する原子と共有できるように開発されており、安定した結合につながります。
その純粋な形では、シリコン結晶は自由な価電子をほとんど持たない可能性があり、極端な抵抗値を持つ優れた絶縁体の特性に起因します。
シリコン材料を電位差に接続しても、何らかの正または負の極性がその中に作成されない限り、シリコン材料を介した伝導は助けられません。
そして、そのような極性を作成するために、前の段落で説明したように、不純物を追加することによって、ドーピングのプロセスがこれらの材料に実装されます。
シリコン原子構造を理解する
上の画像では、通常の純粋なシリコン結晶格子の構造がどのように見えるかがわかります。不純物については、通常、ヒ素、アンチモン、リンなどの材料が半導体結晶内に導入され、それらを外因性、つまり「不純物を持っている」に変えます。
上記の不純物は、隣接する原子と共有するために、「5価」不純物として知られる最も外側のバンド上の5つの電子で構成されています。
これにより、電圧が接続されたときに自由に設定できる単一の「自由電子」を除いて、5つの原子のうち4つが隣接するシリコン原子と結合できるようになります。
このプロセスでは、不純な原子が近くの原子全体に各電子を「供与」し始めるため、「五価」原子は「供与体」と呼ばれます。
ドーピングにアンチモンを使用する
アンチモン（Sb）とリン（P）は、シリコンに「5価」の不純物を導入するための最良の選択になることがよくあります。 
アンチモンでは、51個の電子が原子核の周りの5つの殻に配置され、最も外側のバンドは5個の電子で構成されています。
このため、基本的な半導体材料は、それぞれが負の電荷に起因する追加の電流を運ぶ電子を獲得することができます。そのため、「N型材料」と名付けられています。
また、電子は「マジョリティキャリア」と呼ばれ、その後に発生する正孔は「マイノリティキャリア」と呼ばれます。
アンチモンをドープした半導体に電位がかかると、たまたまノックオフされた電子が、アンチモン原子からの自由電子に瞬時に置き換わります。ただし、このプロセスでは最終的に自由電子がドープされた結晶内に浮遊し続けるため、負に帯電した材料になります。
この場合、半導体は、アクセプター密度よりもドナー密度が高い場合、N型と呼ばれることがあります。以下に示すように、正孔の数と比較して自由電子の数が多く、負の分極を引き起こす場合を意味します。
P型半導体を理解する
逆に考えると、半導体結晶に3電子の「三価」不純物を導入すると、例えば、原子価結合に3電子を含むアルミニウム、ホウ素、インジウムを導入すると、4r番目の結合が形成できなくなります。
このため、完全な接続が困難になり、半導体に正に帯電したキャリアをたくさん持つことができます。これらのキャリアは、電子が大量に失われるため、半導体格子全体で「ホール」と呼ばれます。
ここで、シリコン結晶に穴が存在するため、近くの電子が穴に引き付けられ、スロットを埋めようとします。ただし、電子がこれを実行しようとするとすぐに、電子はその位置を空けて、前の位置に新しい穴を作成します。
これは次に、次の近くの電子を引き付け、次の穴を占有しようとしている間、再び新しい穴を残します。このプロセスは、実際に正孔が半導体を横切って移動または流れているという印象を与え続けます。これは、一般に、従来の電流の流れパターンとして認識されています。
「正孔が動いているように見える」と、電子が不足し、ドープされた結晶全体が正極性を獲得できるようになります。
各不純物原子が正孔の生成に関与するようになるため、これらの3価の不純物は、プロセス中に自由電子を継続的に受け入れ続けるため、「アクセプター」と呼ばれます。
ホウ素（B）は、上記で説明したドーピングプロセスに一般的に使用されている3価の添加剤の1つです。
ホウ素をドーピング材料として使用すると、伝導は主に正に帯電したキャリアを持ちます。
これにより、「マジョリティキャリア」と呼ばれる正の正孔を持つP型材料が作成され、自由電子は「マイノリティキャリア」と呼ばれます。
これは、ドナー原子と比較してアクセプター原子の密度が増加したために、半導体ベース材料がどのようにP型に変わるかを説明しています。
ホウ素がドーピングにどのように使用されるか
半導体の基礎をまとめる
N型半導体（たとえばアンチモンなどの5価の不純物をドープ）
五価の不純物原子がドープされたこのような半導体は、電子の移動によって伝導を示すため、ドナーと呼ばれ、したがって、N型半導体と呼ばれます。
N型半導体では次のことがわかります。
- 正に帯電したドナー
- 豊富な数の自由電子
- 「自由電子」と比較して「正孔」の数が比較的少ない
- ドーピングの結果、正に帯電したドナーと負に帯電した自由電子が生成されます。
- 電位差を加えると、負に帯電した電子と正に帯電した正孔が発生します。
P型半導体（たとえば、ホウ素などの3価の不純物をドープ）
三価の不純物原子がドープされたこのような半導体は、正孔の移動によって伝導を示すため、アクセプターと呼ばれ、したがって、P型半導体と呼ばれます。
N型半導体では次のことがわかります。
- 負に帯電したアクセプター
- 豊富な穴
- 正孔の存在と比較して、比較的少数の自由電子。
- ドーピングすると、負に帯電したアクセプターと正に帯電したホールが作成されます。
- 印加電圧を印加すると、正に帯電した正孔と負に帯電した自由電子が生成されます。
当然のことながら、P型とN型の半導体はそれ自体が電気的に中性です。
一般的に、アンチモン（Sb）とホウ素（B）は、その豊富な入手可能性のためにドーピングメンバーとして使用される2つの材料です。これらは「メッタロイド」とも呼ばれます。
そうは言っても、周期表を見ると、最も外側の原子バンドに3つまたは5つの電子を持っている他の多くの同様の材料が見つかります。つまり、これらの材料はドーピングの目的にも適したものになる可能性があります。
周期表 
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