半導体とは｜定義と基礎知識：仕組み・種類（Si/GaAs）と用途

半導体の定義と基礎からSi/GaAsの種類・動作原理、製造や用途まで図解でわかる入門ガイド。初心者も技術者も必読。

半導体とは、ある場合には電気を通すことができても、ある場合には電気を通さない材料のことです。良導体（例えば銅や銀のような金属）は電気を通しやすく、ゴムやプラスチックのような材料は電気の流れを妨げるため絶縁体と呼ばれます。半導体はその中間に位置し、温度や不純物（ドーピング）や外部の電界・光によって導電性が大きく変化するのが特徴です。実用的には、シリコンが最も多く使われていますが、ガリウムヒ素も多く利用されます。

半導体の結晶格子（格子）に異なる原子を加えることで、n型、p型の半導体を作り、導電性を制御します。ドーピングにより自由に動ける電子や正孔（ホール）の量が変わり、それによって電気抵抗やキャリアの極性が変化します。これらの半導体材料は、小型の増幅器であるトランジスタなど多数の電子素子に加工され、コンピュータ、携帯電話、デジタルオーディオプレーヤー、その他多くの電子機器に組み込まれています。

他の固体と同様に、半導体中の電子は原子に強く結びついた状態（価電子帯）と、物質から完全に脱出するためのエネルギーに近い自由に動ける状態（伝導帯）の間のバンド（エネルギー準位の範囲）に存在します。ここでのエネルギー差をバンドギャップと言い、電子が価電子帯から伝導帯へ励起されると電気伝導が起こります。熱や光、ドーパントによる準位がこの励起を助けるため、半導体の導電率は温度や光照射、ドーピングに敏感に反応します（詳しくは以下参照）。

仕組み（バンド構造とキャリア）

• 価電子帯（valence band）と伝導帯（conduction band）：価電子帯は通常電子で満たされ、伝導帯は空いているか少数の電子が入るバンドです。バンドギャップEgが小さいほど熱で電子が励起されやすく、導電性が高まります。
• 励起と再結合：光や熱で電子が伝導帯に移ると正孔（ホール）が価電子帯に残ります。電子と正孔は再結合して元に戻り、その際に光を出すこともあります（発光ダイオードなど）。
• ドーピング（不純物添加）：ドナー不純物は自由電子を増やしてn型に、アクセプタ不純物は正孔を増やしてp型の半導体にします。これにより導電性やデバイス特性を精密に制御できます。
• 温度依存性：多くの半導体は温度が上がると導電率が増加します（熱励起でキャリア数が増えるため）。ただし、極端な温度ではキャリア散乱が増え移動度が下がる場合もあります。

主な半導体材料と特徴

• シリコン（Si）：最も広く使われる材料。豊富で酸化膜（SiO2）が形成しやすく、MOSFETを中心とした集積回路（CMOS）技術に適しています。バンドギャップは中程度（約1.1 eV）、間接遷移型。
• ガリウムヒ素（GaAs）：高い電子移動度と直接バンドギャップを持ち、高周波や光デバイス（LED、レーザーダイオード、光検出器）、無線周波数用途に向きます（文中のガリウムヒ素も参照）。
• ゲルマニウム（Ge）：電子・正孔の移動度が高く、かつてはトランジスタ材料として重要でした。現在は光エレクトロニクスや一部の集積回路で用いられます。
• SiC（炭化ケイ素）、GaN（窒化ガリウム）：高温・高電圧・高周波での性能が良く、電力変換（パワーデバイス）や高周波デバイスに利用されます。
• その他：InP、CdTe、各種有機半導体や2次元材料（グラフェン、遷移金属カルコゲナイド）など、用途に応じて多様な材料が使われます。

代表的なデバイスと用途

• トランジスタ（BJT、MOSFETなど）：増幅・スイッチング素子。ほぼ全ての電子回路の基本。
• ダイオード（整流、保護）・ツェナーダイオード：電流の一方向性や電圧基準に使用。
• 発光ダイオード（LED）・レーザーダイオード：照明、ディスプレイ、光通信。
• 太陽電池（ソーラーパネル）：光を電気に変換。
• フォトダイオード、イメージセンサ：光検出、カメラやセンサー用途。
• パワー半導体（SiC、GaNなど）：電気自動車、再生可能エネルギーの電力変換、産業用インバータ。
• 集積回路（IC、マイクロプロセッサ、メモリ）：コンピュータ、スマートフォン、家電の頭脳部分。

製造の概略

• 単結晶ウェハーの成長（CZ法など）→酸化膜形成→フォトリソグラフィ→ドーピング（イオン注入や拡散）→エッチング→配線形成→試験・パッケージング。これらはクリーンルームで行われます。
• 微細化（ナノメートルスケール）によりトランジスタの高密度化と高速化が進んでおり、半導体製造は極めて高度な設備と工程管理を要します。

まとめ（ポイント）

• 半導体は導体と絶縁体の中間に位置し、外部条件で導電性が変わる材料です。
• ドーピングによってn型／p型の半導体を作り、トランジスタなどの素子を実現します。
• シリコンが最も多く使われますが、ガリウムヒ素やSiC、GaNなど目的に応じた材料が使い分けられます。
• 半導体技術は電子機器、通信、エネルギー、輸送、医療など社会の広い分野で基盤技術となっています。

歴史

半導体は1830年代には早くも研究室で研究されていました。1833年、マイケル・ファラデーは硫化銀を使った実験を行っていました。彼は、この物質を加熱すると、電気の伝導性が良くなることを発見しました。これは、銅がどのように動作するかの反対でした。銅が加熱されると、電気の伝導率が低下します。他にも多くの初期の実験者が半導体の他の特性を発見しました。1947年、ニュージャージー州のベル研究所でトランジスタが発明されました。これが集積回路の開発につながり、今日ではほとんどすべての電子機器の電源となっています。

半導体ドーピング

質問と回答

Q:半導体とは何ですか?

Q: n型半導体とp型半導体とは何ですか?

Q: シリコンは何に使われているのですか?

Q: 半導体には他にどんな材料があるのですか?

Q: 固体材料中の電子はどのように振る舞うのですか?

Q: なぜ絶縁体が感電防止に使われるのですか?

Q: トランジスタはどのような働きをするのですか?

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