半導体とは何ですか?

半導体は電流を制御する材料であり、ほとんどの現代エレクトロニクスに不可欠なコンポーネントです。 これらは、スマートフォン、コンピューター、テレビに電力を供給するコンピューティング チップとマイクロコントローラーです。

半導体の独特な特性により、半導体は高導電性材料 (銅やアルミニウムなど) と不導電体 (ゴムやガラスなど) の間に位置します。 最も一般的にシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素で作られた半導体ハードウェアは、電流を自由に流すか、電流を完全に阻止します。

半導体は、絶縁体（不導体）以上に電気の流れを制御できるが、導体以下に制御できる材料です。 パソコンやスマートフォンなど多くの電子機器に使われています。

テキサス・インスツルメンツのシターラ・マイクロコントローラー・ユニットのゼネラルマネージャー、マイク・ピエノヴィ氏は「壁に差し込んだり、バッテリーを使用したりするすべての電子機器には半導体が組み込まれています」とビルトインに語った。

半導体の遍在性を誇張することはできません。ダイオード、チップ、トランジスタはすべて半導体から作られたデバイスです。

「半導体は産業用、自動車用、パーソナルエレクトロニクス、通信機器、エンタープライズシステムなど幅広い市場に存在します」とピエノヴィ氏は付け加えた。 「これらのチップは今日のテクノロジーの重要なコンポーネントであり、私たちの生活のほぼすべての側面に影響を与えています。」

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半導体が電気を通す能力は、自由電子と正孔 (電子が存在しないことを表す) という 2 つの電流キャリア間の移動と相互作用に依存します。

Academia Insider でコンテンツを作成している博士号取得の化学者、アンドリュー・ステイプルトン氏は、「半導体がどのように機能するかを理解するには、エネルギーバンドについて知る必要がある」と述べています。

ステープルトンはそれを次のように説明しました。固体では、電子はエネルギー バンドを形成するエネルギー準位を占めます。 半導体で最も関連性の高い 2 つのエネルギー バンドは、価電子帯 (価電子で満たされている) と伝導帯 (大部分が空いている) です。

熱エネルギーが半導体材料に加えられると、価電子は価電子帯から伝導帯に移動し、そこで自由電子になります。 価電子帯に空のスポットが残り、穴が形成されます。

「非導体では、これらのバンドは互いに遠く離れています」とステイプルトン氏は言う。 「しかし半導体では、それらは十分に近いので、熱源が加えられると、電子が価電子帯から伝導帯にジャンプして、電流が流れることができます。」

その電流の強さは、印加される電圧の量と半導体材料の特性によって決まります (詳細は後述)。 これらの要素間の関係はオームの法則で説明され、電流は印加電圧に正比例するが、材料の抵抗には反比例することが確立されています。

ただし、電流の流れをより適切に制御するために抵抗を操作することができます。 ドーピングとして知られるプロセスでは、材料に不純物を追加することで電流キャリアの数を増やすことができます。 自由電子または正孔の数を増やすことによって、電流キャリアの間で大部分が生成され、その結果、より強い導電性が得られます。

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真性半導体は純粋な材料、つまりシリコンとゲルマニウムであり、発熱体と接触すると電気を伝導する自然な能力を持っています。 しかし、そのままでは、これらのドープされていない材料は電流をあまりよく通しません。

真性半導体では、伝導帯の自由電子の数は常に価電子帯の正孔の数と等しくなります。 この低濃度の電流キャリア (自由電子と正孔) により、室温での導電性が低下します。 コンダクタンスの改善は、電圧などの外部熱エネルギー源に大きく依存します。