半導体

電気伝導性が導体と絶縁体の中間にあり、温度・光・電圧・不純物添加などの外部条件によって伝導性を制御できる物質。現代のエレクトロニクス(IC、トランジスタ、メモリ、パワーデバイスなど)の基盤となる材料区分。

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基礎概念

• バンドギャップ — 価電子帯と伝導帯の間のエネルギー差。金属・半導体・絶縁体を分ける基準であり、半導体材料ごとの特性差(耐圧・動作温度など)を決める指標
• 4価元素・14族元素 — シリコンなど代表的な半導体材料が属する元素グループ。価電子が4個であることがドーピングによる半導体化を可能にする

ドーピングと接合

• ドーピング — 不純物添加によって半導体の伝導性を制御する技術そのもの
• N型半導体 — 5価の不純物をドープし、自由電子を多数キャリアとする
• P型半導体 — 3価の不純物をドープし、正孔を多数キャリアとする
• PN接合 — N型とP型を接合してできる整流構造。ダイオード・トランジスタの基本構造
• ペルチェ素子 — PN接合に電流を流すことで熱を移動させる熱電デバイス

材料ごとの半導体

バンドギャップの広さで用途が分かれる。

• シリコン — バンドギャップ約1.1 eV。安価・大量生産に向き、現行の半導体産業の主力材料
• 窒化ガリウム(GaN) — バンドギャップ約3.4 eVの「ワイドバンドギャップ半導体」。高耐圧・高周波のパワーエレクトロニクス向け
• ダイヤモンド半導体 — バンドギャップ約5.47 eVの「ウルトラワイドバンドギャップ半導体」。研究開発段階だが、より高耐圧・高温動作が期待される

応用デバイス

• NAND型フラッシュメモリ — 半導体メモリの一種。SSD・USBメモリ・スマートフォンストレージなどで使われる不揮発性メモリ