第２章電子工学の基礎２．１半導体素子２．２電子回路２．３４端子網２．１半導体素子２．１．１半導体２．１．２ｐｎ接合とトランジスタ２．１．３各種半導体素子２．１．１半導体（１）半導体とは導体と絶縁体の中間の電気抵抗を持つ物質１０－８－６１０１０－４現時点では，Ｓｉ（シリコン）が最も使われているが， ① ＧａＡｓ（ガリウム・砒素）， ② ＧａＰ（ガリウム・リン）， ③ ＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）等も今後使われるようになりそう。１０－２１０１０４８１０１０１２１０１６銀・銅鉄ニクロム導体ゲルマニウムセレンシリコン半導体ベークライト塩化ビニールダイヤモンドマイカ石英絶縁体（２）ｎ型半導体 n型半導体（n-type semiconductor）半導体に微量に添加した不純物（ドナー）が電子を供給してキャリアとなる半導体。半導体のＳｉ（シリコン）やＧｅ（ゲルマニウム）は族番号１４であるが，これに族番号１５のＰ（リン），Ａｓ（ヒ素），Ｓｂ（アンチモン）などを添加することでｎ型が得られる。族番号１４の原子は，４個の共有結合を持つが，族番号１５の原子では，５個の最外殻電子の１個が余るため，原子から離れてキャリアとなる。合金であるＧａＡｓでは，Ｓｅ（セレン）やＳｉ（シリコン）を添加することでｎ型となる。 p型半導体（p-type semiconductor）（３）ｐ型半導体半導体に微量に添加した不純物（ドナー）が正孔を供給してキャリアとなる半導体。半導体のＳｉ（シリコン）やＧｅ（ゲルマニウム）は族番号１４であるが，これに族番号１３のＢ（ホウ素），Ａｌ（アルミニウム）などを添加することでｐ型が得られる。族番号１４の原子は，４個の共有結合を持つが，族番号１３の原子では，３個の最外殻電子の１個が不足するため，周りの原子から電子を取り込み，取り込めない場合は正孔を形成する。合金であるＧａＡｓでは，Zn（亜鉛）やC（炭素）を添加することでｐ型となる。２．１．２ｐｎ接合とトランジスタ（１）ｐ型とｎ型の違い ① ｎ型は，電子が動き回ることによる電気伝導 ② ｐ型は，ホールに電子が取り込まれたり，離れたりすることによる電気伝導ｐ型とｎ型を接合すると，電流を一方向のみに流す性質を持つようになる。ダイオードという（２）ｐ型とｎ型の接合外部から電圧を加えない状態では接合近傍と電子と正孔は結合してキャリアが存在しない領域（空乏層という）を形成する。 p型半導体 P型領域には負の， N型領域には正の固定空間電荷ができ，内部電位が生じる n型半導体－－－ + + + －－－ + + －－－ + + + + －－－ + + + 拡散電位空乏層ＥCp フェルミ準位 ++ アクセプタ準位ＥVp －－－－空間電荷 ++ 電導体ＥCn ＥF 外部から電圧を加えて，内部電位差を低くすると，電流が流れる。外部から電圧を加えて，内部電位差を高くすると，電流は流れない。ドナー準位ＥVn 価電子体整流作用となる電圧をかけていないとき－－（３）エネルギー順位 ++ －－－－－－－ +++ －－－ ++ + ++ ｐ型にー，ｎ型に＋をかけると電子や正孔が移動できなくなる n型 p型ｐ型に＋，ｎ型にーをかけると電子や正孔が移動する（ー）電子－－－－－－ +++ （＋）－－－－－－ +++ － n型（ー） p型正孔 +++ + + －－－ + +++ （＋） p型－－－ +++ + n型（４）もう一つのモデルキャリアーだけで考えるＮ型逆電圧をかけると，両キャリアは境界部から遠ざかる方向に力を受けるので中央にほぼ絶縁体の層ができる－（＋）－－－－Ｎ型順電圧をかけると，両キャリアは互いに他方の半導体側に流れ込んでいくので接合を通って大きな電流が流れるＰ型（ー）－－ + + － + －+ + + + + + （ー）Ｐ型－ + + － + + －（＋）（５）ＰＮ接合の整流特性順方向のときの電流   eV   I  I 0 exp   1   kT   ただし逆電圧を大きくすると，ある電圧（ツェナー電圧： Zener voltage）以上で急に電流が流れ出す（ツェナー効果）。電流（Ｉ）ツェナー電圧電圧（Ｖ）（６）トランジスタＮＰＮ型ＰＮＰ型エミッタＰＮＰ（Ｅ）コレクタ（Ｃ）エミッタコレクタ（Ｃ）（Ｅ）ベース（Ｂ）通常は，エミッタの不純物を最大にし，コレクタの不純物を最小にする。ＰＮ（Ｅ）コレクタ（Ｃ）ベース（Ｂ）ベース（Ｂ）エミッタＮコレクタエミッタ（Ｃ）（Ｅ）ベース（Ｂ）２．１．３各種半導体素子 ① 太陽電池とフォトダイオード ② 可変容量ダイオード（バリキャップ，バラクタ） ③発光ダイオード（ＬＥＤ），レーザダイオード（ＬＤ） ④ 定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）（１）太陽電池とフォトダイオード ① 光を直接電力に変換する素子 ② シリコン，ガリウム・ヒ素，硫化カリウム等によりＰ型，Ｎ型半導体を作る。 ③ シリコンとしては，単結晶シリコン，多結晶シリコン，アモルファスシリコン等が使われるが，光吸収係数が大きく光伝導度が高いアモルファスシリコンが最も材料として適している。 ④ 接触面で光子が吸収され，１対の電子と正孔ができる。 ⑤ 電子がＮ型へ，正孔がＰ型に移動することで，電流が生じる。［注］アモルファス状態とは，規則正しい格子を作らず集合している固体の状態フォトダイオード与えられるバイアス電圧によって３モードに分類できる。電流 VB 0 光起電力電圧暗電流アバランシェフォトダイオード (APD) フォトダイオード (PD) 太陽電池 (PD) 特に，逆電圧をかけて，なだれ増倍現象を利用するフォトダイオードをＡＰＤ（Avalanche Photodiode）という。フォトダイオードの動作太陽電池と同じく，光起電力効果によって電圧が発生する。これを利用して光検波器として使われる。 N層空乏層 P層接続光 n p qVb － Vb フェルミ準位－ R 価電子帯光空乏層＋＋ (a) pn接合の例 (b) pn接合のエネルギー帯（２）可変容量ダイオード ① ｐｎ接合に加える逆方向電圧を大きくすると，静電容量が減少することを利用した素子。 ② ダイオードの空乏領域はコンデンサと同様の働きを持ち，逆電圧が増加すると空乏領域の幅も広がるので，コンデンサの極板間隔が広がったのと同じことになり，結果的に静電容量が減少することとなる。 ② バリキャップ，バラクタとも呼ばれる。 ③ ＴＶ，ラジオ等の電子チューナとして利用されている。（３）発光ダイオード，レーザダイオード ① ｐｎ接合で順方向電流を流すと電子と正孔の再結合の際，光を発するダイオード。 ② ＧａＰ，ＧａＡｓなどが材料。 ③ ＬＥＤの場合数ｍＡ～数１０ｍＡ，ＬＤの場合１００ｍＡ程度を流す。 ④ ＬＥＤは長寿命，高効率で動作が高速であるため，計測器の文字表示等に使用される。 ⑤ ＬＤは特定の波長の光を放出できるので，光通信等の光源として使用される。（４）定電圧ダイオード（ツェナーダイオード） ① ｐｎ接合で逆方向電圧をかけ降伏現象を利用して基準電圧を作る。 ② 不純物濃度によりツェナー電圧が調整される。 ③ ６～８Ｖぐらいのものがよく使われる。