半導体(セミコン)について 珪素(シリコン)、…

TECH(工科)

 前回に引き続き半導体について。
 もう少し踏み入って整理してみた。

 ご存知のとおり、電気をよく通す物質が導体で、通しにくい物質が絶縁体(不導体)。
 前者の代表例は銅線などの金属。
 後者の代表例はゴム。

 両者の中間が半導体。
 ある時は電気(電子)が流れ、ある時は流れない、その名は半導体。セミコンダクター略してセミコン。
  ※ コンダクター Conductor=導体。セミ Semiはセミファイナルのセミ

 半導体特にトランジスタは電流のON・OFFのスイッチになるので、
 ON・OFFないし強弱を「1」・「0」に割り当てればデジタル信号になり、
 2進数の演算処理も可能になる。いわゆるコンピューター。

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半導体の代表 珪素(シリコン)

 シリコン Silicon=珪素(ケイ素) Si。半導体の代表。
 シリコーン Siliconeは天然モノではなく合成モノで別モノ。シリコンゴム、シリコンオイル/シリコンスプレーのシリコンは「シリコーン」。
 別物だが、どちらも原料は二酸化珪素(二酸化ケイ素) SiO

 地上の大気の成分は窒素 N2約78%、酸素 O2約21%。
 地中(地殻中)の元素は最多が酸素 Oで半分弱。次が珪素 Siで4分の1強。次がアルミニウム Al、次が鉄 Fe。
  ※ 地中全体だと核の大半を占めるFeが最多
 地殻中物質としてはOとSiが結合した二酸化珪素 SiO2が最多。
 SiO2の結晶が石英 Quartz、水晶 Crystalで、様々な岩石に含まれている普遍的な鉱物。石英を多く占める(9割超)岩石が堆積岩のチャート。
 これらが珪石(ケイ石)。砂になったものが珪砂(ケイ砂)。
 半導体、シリコーン、ガラスの材料。

化学結合

 珪素の他、ゲルマニウム Ge、炭化珪素 SiC、窒化ガリウム GaN、リン化ガリウム GaP、ヒ化ガリウム GaAs などが半導体。
 酸化ガリウム Ga2O3や(通常は絶縁体である)ダイヤモンドも次世代半導体として研究開発中。

 元素の周期表を見ると
 Si、Geが14族。ダイヤモンド(炭素 Cの同素体)も14族。
 窒素 N、燐(リン) P、砒素(ヒ素) Asは15族。
 Gaは13族。
 酸素 Oは16族だが、
 軒並み13-15族に集中している。

元素の周期表

 原子の外側にある電子の数は水素 H 1、ヘリウム He 2、リチウム Li 3、……と1つずつ増えていって、C 6、N 7、O 8、……、Si 14、……と続く。
 電子は内側から外側へ同心円状に2、8、8と規則的に配置されていく。一番内側が最大2、次が最大8、次も8。

電子のイメージ

 一番外側(以下、最外殻)の電子数が2、8、8の時が安定つまり不活性で、周期表の一番右の18族のヘリウム He、ネオン Ne、アルゴン Arは、化合物が作られにくい。
 Sc~ZnとY~Cdは変則的だが、クリプトン Kr、キセノン Xeも最外殻の電子数が8。
 ※ 周期表のもう1つ下のラドン Rnも最外殻電子数8
   He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rnは希ガス

 周期表の左、例えばナトリウム Na 11は、2、8、1で、最外殻の電子数は1。
 周期表の右、例えば塩素 Cl 17は、2、8、7で、最外殻電子数7。

 Naは、電子 eが1つ失われると+の電気を帯びたイオン Na+になり、内側から2、8で、最外殻電子数8。
 Clは、電子が1つ加わると-の電気を帯びたイオン Clになり、内側から2、8、8で、最外殻電子数8。
 Na+とClが引き合って結合したものが塩(塩化ナトリウム) NaCl。
 イオン結合。

 炭素 Cは、電子数6で内側から2、4。
 珪素 Siは、電子数14で内側から2、8、4。
 いずれも最外殻電子数4。
 C原子とH原子4つが結合するとメタン CH4の分子になる。
 N原子とH原子3つが結合するとアンモニア NH3の分子。
 SiO2のOは内側から2、6で最外殻電子数6。O原子2つとSi原子1つで互いに電子を共有
 二酸化炭素 CO2も同じ。
 みな共有結合。

 イオン結合のNaClが共有結合の上記分子と違っているのは、NaCl1分子で終わらず、次々結合して結晶(イオン結晶)になる点。
 Na+複数のClと引き合っている。逆も然り。

 これらの分子、結晶はみな通常は絶縁体。

絶縁体の電気伝導(電導)

 導体の金属は金属結合という化学結合だが、ひとまずパスして、
 半導体である珪素 Siについて---。

 SiはSi原子1つが4つのSi原子と共有結合するが、それで終わらず、その4つのSi原子も各々別のSi原子と次々電子を共有できる。
 共有結合だが分子集団。NaCl同様、目に見える結晶

 Siと同じ14族である炭素 CもC原子1つが別のC原子と次々共有結合できて、ダイヤモンドのような結晶になる。CだけでなくH、N、Oなどの原子と次々共有結合したものが高分子の有機化合物。
 SiとCは特殊。
 ちなみにSi-Siの結合よりC-Cの結合のほうが強力。
 Siベースの無機世界のどん詰まりがロボットで、Cベースの有機世界のどん詰まりが「我々」人間とも言えそうだ。

 Siの結晶自体は絶縁体だが、

  •  熱を加えたり
  •  光を当てたり
  •  不純物を加えると

 電子が流れる(電気が流れる)。

 熱や光を加えた場合は、
 そのエネルギーによって共有結合が切れて自由になった電子が流れる。
 熱センサーや光センサーに応用される。

 不純物を加えた場合は、
 例えば15族(最外殻電子数5)の砒素(ヒ素) Asを加えた場合、電子が増えて余って動き回る(電気が流れる)。
 (Asは+になるが)全体としては-。N型(ネガティブ Negative)の半導体。

 13族(最外殻電子数3)の硼素(ホウ素) Bを加えた場合も電気が流れる。電子が奪われて、その抜け孔(ホール)に別の電子が飛び込んで、……といった具合にホールが動き回る。
  ※ ホールは正の電荷を持って動いているように見えるので、正孔と呼ばれるが、陽電子ではない
 (Bは-になるが)全体としては+。P型(ポジティブ Positive)の半導体。

 エネルギー・バンド図というものが出て難しくなっていくが、ひとまずパスして……

 N型半導体とP型半導体をくっつけて(接合して)、
 電流が流れないバランス状態(平衡状態)のデバイスが作られる。ダイオード、トランジスタ。
 (順方向に)電圧を加えると
 PからNへ電気が流れる(NからPへ電子が流れる)。

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