半導体とは?歴史,応用,導体・絶縁体との違い

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工学

 半導体は物質の種類の一つで,電子デバイスに欠かせない素材です.本記事では半導体とは何か,半導体の歴史,応用先,導体と半導体と絶縁体の違いについて説明していきます.

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半導体とは

 半導体 (Semiconductor)は電気を良く通す導体 (Conductor)と,電気を通さない絶縁体 (Insulator)の中間の抵抗率を持つ物質です.また,半導体は不純物を添加することで抵抗率を変えることができます.この特性を利用して,集積回路やセンサー,太陽電池,LEDなどの様々な電子デバイスに用いられます.

 有名な半導体としてケイ素 (Si),ゲルマニウム (Ge),リン化インジウム (InP),ヒ化ガリウム (GaAs),リン化ガリウム (GaP)などがあります.半導体の簡単な歴史と応用先を見ていきましょう.

半導体の歴史

起こったこと
1947年米国のベル研究所のバーディーンブラッテンらが点接触型トランジスタを発明
1948年ショックレーらが,バイポーラトランジスタの開発
1956年ショックレーバーディーンブラッテンにノーベル物理学賞が授与
1958~1959年テキサス・インスツルメント社フェアチャイルド・セミコンダクタ社によって集積回路が開発
~現在様々な技術が発明・開発され,半導体は様々な場所で利用されている
表 半導体の歴史

半導体の応用先

 半導体材料は電流 (電気の流れ)を制御したり,増幅することができます.また,電気エネルギーを他のエネルギーに変換することもできます.これらの特性より以下の応用先があります.

名称詳細
ダイオード電流を制御させる素子.
ドランジスタ電流を制御・増幅させる素子.
ICチップ大量のダイオードやトランジスタが集積されたチップ.スマホやPCに利用される
発光ダイオード (LED)電気を光に変換して,発光する素子
半導体レーザー (LD)波長や位相がそろった光を放出する素子
フォトダイオード (PD)光を電気に変換する素子.太陽電池やイメージセンサで応用される
ペルチェ素子電気から冷却・発熱させる素子
サーミスタ温度を測定するセンサ
ホール素子磁気を測定するセンサ
表 半導体の応用例

導体,半導体,絶縁体の違い

 導体は電気を通す物質で,電線などに用いられます.代表的な導体としては銅,アルミニウムなどの金属,黒鉛があります.

 半導体 (Semiconductor)とは,電気を良く通す導体 (Conductor)と電気を通さない絶縁体 (Insulator)の中間の抵抗率を持つ物質です.半導体は不純物を添加することで抵抗率を変えることができ,ICチップや様々なセンサーとして用いられます.半導体としてはケイ素 (Si),リン化インジウム (InP),ヒ化ガリウム (GaAs)などがあります.金属が温度が上がるにつれて抵抗率が上がりますが,半導体は温度が上がるにつれて抵抗率が下がる特徴があります.

 絶縁体は電気を通さない特徴があり,導体や半導体を絶縁するために利用されます.絶縁体の例としてはゴムやガラスがあります.

エネルギーバンド図による違い

図1 金属,半導体,絶縁体のエネルギーバンド

 金属 (導体),半導体,絶縁体の違いは,図1のようにエネルギーバンド図の違いによっても説明できます.

 金属は伝導帯の一部が電子で埋められているか,伝導帯と価電子帯が重なっており,電子が移動することができます.

 半導体の電子は価電子帯にあり,価電子帯と伝導帯の間にバンドギャップがあります.そのため通常,半導体では電気は流れませんが,熱や不純物により電子が伝導帯に移動することで,電流が流れるようになります.

 絶縁体は電子がすべて価電子帯にあり,バンドギャップが大きいため電子が簡単に伝導帯に移動できないため電流が流れません.

まとめ

  • 半導体 (Semiconductor):電気を良く通す導体 (Conductor)と電気を通さない絶縁体 (Insulator)の中間の抵抗率を持つ物質
  • 代表的な半導体:ケイ素 (Si),ゲルマニウム (Ge),リン化インジウム (InP),ヒ化ガリウム (GaAs),リン化ガリウム (GaP)
  • 半導体の応用先:ダイオード,トランジスタ,IC,光デバイス,センサなど

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