半導体

物理学や電子工学の世界では、半導体はシンプルなダイオードから複雑なコンピュータチップまで、さまざまなデバイスの機能において重要な役割を果たしています。半導体を理解することは、エレクトロニクスに興味がある人にとって重要です。なぜなら、それらは現代技術の基盤だからです。

半導体とは何ですか？

半導体は、導体と絶縁体の間に電気伝導性をもつ材料です。これは、ある条件下では電気を伝導でき、他の条件下では伝導できないことを意味します。この特性により、電子デバイスにおける電流の制御において非常に価値があります。

真性半導体

真性半導体は、純粋な半導体材料です。最も一般的な例には、シリコン (Si) とゲルマニウム (Ge) が含まれます。これらの材料では、通常、電荷の数は低く、重大な不純物はありません。

真性半導体では、電子と正孔の数は等しいです。「正孔」はただ単に電子の欠如を意味し、正の電荷キャリアとして機能します。エネルギーが加えられると、電子が価電子帯から伝導帯へと跳び上がり、後ろに正孔を残します：

この遷移は電気伝導性に寄与します。

不純物半導体

真性半導体に不純物を加えると、不純物半導体になります。このプロセスはドーピングと呼ばれ、材料内の電荷キャリアの数を大幅に増加させ、その伝導性を高めます。

n型半導体

n型半導体は、余分な電子を持つ元素を半導体材料に加えることで生成されます。たとえば、シリコンにリン（五価電子を持つ）を組み合わせると、余分な自由電子が生成されます：

余分な電子は負の電荷キャリアとして機能するため、「n型」と呼ばれます。

p型半導体

p型半導体は、電子が少ない元素を加えることで形成されます。たとえば、シリコンに三価電子を持つボロンを組み合わせると、「正孔」または正の電荷キャリアが生成されます：

電子の欠如により、移動可能な「正孔」が生じ、材料をp型半導体にします。

PN接合

PN接合は、n型およびp型半導体を一緒に配置することで形成されます。この接合は、ダイオードおよびトランジスタの操作に重要です。接合すると、n型領域の電子がp型領域の正孔を満たし、内蔵電場を持つ空乏領域が形成されます：

この配置により、電流は一方向にのみ容易に流れるようになり、逆方向には流れにくく、ダイオードのように機能します。

半導体の応用

半導体は、その独自の特性により、さまざまな電子デバイスに不可欠な部品です。以下は例です：

ダイオード

ダイオードは、おそらく最も簡単な半導体デバイスです。その主な目的は、電流を一方向には流し、逆方向には遮断することです。これは、P側がN側より高い電圧にあるときにのみ電流を流すPN接合により実現されます：

トランジスタ

トランジスタはより複雑で、信号の増幅や切り替えに使用されます。それらは、小さな電流入力で大きな電流を制御でき、すべての現代電子回路の基本構成要素です。トランジスタには、バイポーラ結合トランジスタ（BJT）や電界効果トランジスタ（FET）などさまざまなタイプがあります。

バイポーラ結合トランジスタ（BJTs）

BJTは、2つのPN接合を形成する3層の半導体材料で構成されています。3つの部分はエミッタ、ベース、およびコレクタと呼ばれます：

BJTには2種類あります: NPNとPNPトランジスタです。NPN型は電子を電荷キャリアとして使用し、PNP型は正孔を使用します。

電界効果トランジスタ（FETs）

FETは、電場を使用してチャネルのサイズを制御し、したがって半導体材料中の1種類の電荷キャリアの導電性を制御します。以下のような異なるタイプがあります：

• JFET（ジャンクションFET）
• MOSFET（金属-酸化膜-半導体FET）

半導体における導電性

半導体の導電性は、いくつかの要因で制御できます：

• ドーピング：不純物を加えて電荷キャリアを増加させる。
• 温度：温度が高くなると電子にエネルギーが加わり、導電性が増加します。

たとえば、電気伝導性 σは次のように表すことができます：

σ = q * n * μ

ここで：

• q = 電子の電荷
• n = 電荷キャリアの数
• μ = 電荷キャリアの移動度

結論

半導体は、最も単純な回路から最も複雑なコンピュータシステムまで、現代の電子工学の礎です。それらは特定の条件下で電気を伝導できるため、多能であり、私たちの技術社会において必要不可欠です。それらの特性を理解し、どのように操作できるかを理解することは、エレクトロニクスと通信の世界を多くの応用と革新に開放します。

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