半導体とは
半導体とは、およそ0.7〜6eVという小さなバンドギャップを持つ材料です。 常温では電子はほとんど伝導帯へ上がれず、電圧や光、温度を与えれば上がってきます。この中間の性質があるので、条件によって電流を通したり止めたりできます。
電気の通しやすさは、バンドギャップの幅で決まる
Section titled “電気の通しやすさは、バンドギャップの幅で決まる”材料の中の電子は、決まったエネルギーの帯にいます。原子に束縛されている状態が価電子帯、材料の中を自由に動ける状態が伝導帯で、この2つの帯の間にある電子が不在の隙間がバンドギャップです。バンドギャップは価電子帯の上端と伝導帯の下端のエネルギー差で、電気を通すには、電子がこの隙間の分のエネルギーを得て伝導帯へ上がる必要があります。
金属では隙間はごくわずかで、電子は常に動ける状態にいるため電気をよく通します。ガラスやセラミックでは隙間が大きく、常温で与えられる程度のエネルギーでは電子はそこにとどまるので、絶縁体になります。半導体の隙間はその中間のおよそ0.7〜6eVです1。
微量の不純物で、電流を運ぶ主体を選ぶ
Section titled “微量の不純物で、電流を運ぶ主体を選ぶ”純粋な半導体は、そのままでは電流を運ぶ量がわずかです。役に立つのは、微量の不純物を加えて性質を作り替えられる点です。n型半導体では、電圧をかけると自由電子が動いて負の電荷を運び、電流を生じます2。p型半導体では、正孔が動いて正の電荷を運び、電流を生じます3。
同じシリコンでも、加えるものによって電流を運ぶ主体が変わります。n型とp型を隣り合わせに作れば、境目では一方向にだけ電流が流れやすい構造になります。トランジスタもダイオードも、この作り分けの組み合わせです。
シリコンは、11桁の9が並ぶ純度から作る
Section titled “シリコンは、11桁の9が並ぶ純度から作る”シリコンウェハは半導体製造の主要材料で、99.999999999%の純度の円柱状インゴットへ溶融したうえで、厚さ1mm未満の円盤へスライスして作ります1。
11桁の9が並ぶ純度が要るのは、不純物で性質を作り替える以上、意図と異なる不純物が混ざれば設計どおりの性質からずれるためです。加えるものを厳密に選ぶには、まず空の状態から始める必要があります。
SiCは、絶縁破壊の電界強度がSiの10倍
Section titled “SiCは、絶縁破壊の電界強度がSiの10倍”シリコン以外の選択肢もあります。SiC（炭化ケイ素）は、絶縁破壊の電界強度がSiの10倍、バンドギャップが3倍広い材料です1。材料を替えれば、耐えられる電圧や動作温度が変わります。
関連するデータ・ツール
Section titled “関連するデータ・ツール”よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”半導体とは何ですか？
およそ0.7〜6eVという小さなバンドギャップを持つ材料です。バンドギャップは価電子帯の上端と伝導帯の下端のエネルギー差です。
なぜ「半分」導体なのですか？
電気の通しやすさが導体と絶縁体の中間にあるためです。バンドギャップが小さければ電子は容易に伝導帯へ上がって導体になり、大きければ上がれずに絶縁体になります。半導体はその間にあります。
中間にあることの何が役に立つのですか？
条件によって通したり止めたりできるためです。電圧や光、温度で電子の振る舞いが変化するので、外から与えた信号で電流を制御します。スイッチや増幅の素子はこの性質の上に成り立ちます。
材料の性質は変えられますか？
変えられます。不純物を加えることで、電流を運ぶ主体を選べます。n型半導体では電圧をかけると自由電子が動いて負の電荷を運び電流を生じ、p型半導体では正孔が動いて正の電荷を運びます。
なぜシリコンが使われるのですか？
半導体の主要な材料だからです。シリコンウェハは半導体製造の主要材料で、99.999999999%の純度の円柱状インゴットへ溶融したうえで、厚さ1mm未満の円盤へスライスして作ります。
シリコン以外の半導体はありますか？
あります。SiC（炭化ケイ素）は、絶縁破壊の電界強度がSiの10倍、バンドギャップが3倍広い材料です。材料を替えると耐えられる電圧や動作温度が変わります。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- 半導体製造工程の全体像── 工程と装置の全体像