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半導体とは?(1)

ここでは、半導体物性のうち回路設計に必要と思われるものをさらっと見ていきます。

半導体とは、電気を良く通す導体(金属など)や電気を通さない絶縁体(ガラスや紙、テフロンなど)に対して、それらの中間的な性質を示す物質です。集積回路としては、シリコン(Si)が半導体の代表格です。

純粋な半導体(真性半導体と言います)はあまり電気を通さないため、電流のもと=移動できる電荷が発生するように、違う物質(ドーパントと言います)を混ぜます。混ぜたものを不純物半導体といい、集積回路では不純物半導体を組み合わせて回路を構成します。

不純物半導体には2種類あり、電流のもとが何かによりP型半導体N型半導体に分かれます。

電流のもとを電子として、シリコンにリン(P)などを少量混ぜたものをN型半導体と言います。N型半導体では移動できる-電荷が多くなります

これに対し、電流のもとを正孔(実際にそのような粒子があるわけではなく、電子がないためにあたかも+に帯電した粒がそこにあるかのように見える場所(=孔(あな))を正孔(せいこう)と呼びます)として、シリコンにホウ素(B)などを少量混ぜたものをP型半導体と言います。P型半導体では移動できる+電荷が多くなります

とはいえ、リン(P)やホウ素(B)はもともと電気的に中性です。不純物として混ぜることで、移動できる電子・正孔移動できない固定電荷に分かれることになります。

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半導体とは?(2)

半導体では、電荷の担い手である電子と正孔を合わせてキャリアといいます。不純物半導体では移動できる+電荷と-電荷の数が同じではない(というより、そうなるように違う物質を混ぜた)ため、多い方のキャリアを多数キャリア、少ない方を少数キャリアと呼び分けます。

ele6_2_2.jpg

ちなみにCMOS などではこの電子や正孔に電圧をかけて移動させることで電流を発生させますが、半導体としてシリコンを使う場合、電子と正孔の移動速度(=移動度といいます)を比べると、電子のほうが約3倍早く移動できます。このことは、PNP や PMOS よりNPN や NMOS などのほうが高速回路に向いていることを示唆しています。
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目標であったオペアンプの設計に6年かけて到達しました。ここからは応用的な内容を書ける限り書いていきたいと思います。

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