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となっています.本記事では半導体とは何か,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)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.半導体に不純物を添加することで抵抗率を変えることができ,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

1947年に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年にショックレーによりバイポーラトランジスタが発明されました (1956年に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年~1959年にテキサス・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され,その後は様々な技術が発明・開発され,半導体は様々な場所で使われるようになりました.

半導体の応用先

半導体材料は電流 (電気の流れ)を制御することができます.電流を制御する半導体素子としてダイオードトランジスタがあります.大量のダイオードやトランジスタなどが集積されたチップをICチップといい,スマホやPCなどのコンピュータに必ずと言っていいほど利用されています.

また,半導体は電気エネルギーを他のエネルギーに変換することができ,反対に他のエネルギーを電気エネルギーに変換することができます.その特性を用いて,様々なセンサーや発光ダイオード (LED)などに利用されています.光を電気に変換する半導体素子にフォトダイオード (PD)があり,イメージセンサ太陽電池に利用されます.電気を光に変換する素子に発光ダイオード (LED)や半導体レーザ (LD)があります.その他の半導体素子には電気から冷却・発熱させるペルチェ素子,温度を測定できるセンサーのサーミスタ,磁気を測定するホール素子などがあります.

導体,半導体,絶縁体の違い

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.

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

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いるため電子が移動することができます.

半導体では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気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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