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*本当にサルでもわかる話 [#jc9b049e]
<<以下、途中>>
**真性半導体とは? [#t99b1d96]
**n型半導体とは? [#t99b1d96]
複雑なことを言うとワケわからなくなりますが、一言で言ってしまえば、
『混ぜ物をしていないシリコンだけの状態の半導体』
『Si(シリコン)だけの状態の半導体にP(リン)を混ぜた半導体』
程度の理解で十分だと思います。
「Siに混ぜ物をした半導体」というものは次回以降でお話します。
前回お話した「”Siに混ぜ物をした半導体”というものは次回以降でお話します。」というお話をするわけです。
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**シリコンだけの状態の半導体を理解する [#h4461591]
チップの中のシリコン1つ1つ(1原子)がどういう状態なのかを考えましょう。
***シリコン原子は電子を4つ持っている [#i0225a62]
図に書くとこんな感じです。
#instagram(Bk6Zaw2nM0w)
良い図がなかったので自作しました。
あんまりうまくなくて申し訳ないです。
Si原子の周りに4つの電子があります。
今後、大きな○に元素記号(Siならシリコンですね)があれば「原子核(まぁ原子だと思っておいてください)」、その周りにある小さな○は「電子」と理解してください。
**シリコンだけの状態からリンを混ぜた状態の半導体を理解する [#h4461591]
前回お話した真性半導体(Siだけの半導体)の図を改めて書くとこんな感じでしたね。
#instagram(BlJlLZxnXzk)
すべてのSiの周りに電子が8個。
電子は安定して動かなく、電気が流れない。
そういうお話でした。
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***電子とは [#r6309446]
これも細かいことを言うと長くなるので一言で。
『「マイナスの電気」を持ってる超小さな粒』
まずは、これでOKです。
***原子は電子が8個あると安定する [#a49d4fe2]
「なんで?」と言いたくなりますが、「そういうルール」とご理解ください。
「なんで1+1=2なの?」とか、「なんでお腹空いたらご飯食べるの?」って言う人、「あんまり」居ないですよね。
そんなノリで。
このSiの一部をPと取り替えてみます。
#instagram(BlJlvKXnPLp)
SiからPに変わると何が起きるのか。
Siは電子が4個ですが、Pは電子を5個持っています。
すると、ご覧の通り、P 1個につき、電子が1つ増えます。
その電子は宙ぶらりんになっちゃうわけですね。
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さて、Siは電子を4個持っています。
対して、安定する電子の数は8個。
4個足りませんね。
ということでPを1つ増やすほど電子が増えますのでPの数を増やすとこんな感じになります。
(各々のSiやPが持っている電子4個は省略して書いてます。)
#instagram(Bnuke9ons4P)
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***原子核は電子を共有できる [#c374a94f]
Si同士は電子を共有できます。
意味がわからないと思うのでまた図を書きました。
#instagram(Bk6a1-VHsc-)
Si同士を左右に並べました。
この状態では左の電子の数はと言われると、当然「4個」なのですが、物理化学的にはSi電子は黒枠で囲った範囲の電子を持ってると「思い込みます」。
つまり「5個」になっちゃうんですよね~。
これであと3個になりました。
**余った電子は自由に動けるので電流が流れる [#kf7b3ec1]
「8個で安定している電子」と違って「余っている電子」は好きに動けます。
そこで、下の図のように左に+、右にーの電圧をかけてみます。
すると、電子はーの電気を持っているので+に引き寄せられ(磁石のSとNみたいに+とーは引き合います)、左へ流れていきます。
#instagram(Bnul05PnauW)
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ちなみに右側のSiは電子を奪われて3個になってるというわけでなく、こちらも「5個」と「思い込みます」。
それぞれのSiがそれぞれの電子を「共有」してるんですよね。
これを「共有結合」といいます。
ま、ワードは別にどうでもいいです。
***すべての電子を共有させると・・・ [#i8769572]
さて、上図から更に発展させます。
同じ要領で右だけじゃなくて、上も下も左も共有させるとこんな感じになりますね。
#instagram(Bk7a8pvHgwn)
電子が動くため、電流が流れます。
電子が多いほど電流が一杯流れるのでPが多いほど電流が流れます。
ということでPが多いほど電気抵抗(電流の流れにくさ)が小さくなりますね。
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これで□の中の電子の数をカウントすると「8個」になりますね。
これで、この図の真ん中のSiは安定して落ち着きます。
この状態をキープしようとします。
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周りにSiをどんどんつなげていくと・・・
#instagram(Bk7bXcFHEo-)
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こんな感じですべてのSiが電子8個で落ち着きます。
Siの結晶(かたまり、ウエハ)には小さいSiの原子が大量にありますが、こんな感じで全部8個電子があるのでこの状態で居たいと思います。
つまり「原子同士がくっついている状態が良い」ってことですね。
Siの結晶が硬いのはそういうことですね。
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***このままだと電流は流れない [#xc09bef5]
さて、この真性半導体の左に+、右にーの電圧をかけても電流は流れません。
中にある電子が全部8個の状態になっていて、この状態から動きたがらないためちょっとした電圧ではその状態を脱する気にはならないんですよね。
よっぽどな電圧を流した場合は別です。
そのときにはその半導体は潰れているでしょう。
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さて、「半導体というものは電流を流してナンボ」な部品です。
電化製品に入ってるんだから当然ですよね。
ということで、真性半導体は実際にはほとんど使われることはありません。
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しかしながら、ここから先の話をするためにこの話をしないと始まらないので1ページ使って話をさせてもらいました。
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*少し難しい話 [#x2c9b004]
**実際には3次元に結合している [#ze3ce27b]
Siの結合をわかりやすさのため平面的に書いてますが、実際には下図の通り3次元的に結合しています。
○がSi原子核、線が電子2個だと思って頂ければいいです。
#ref(http://i.imgur.com/lgF1Ep3.png)
なし
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*参考文献 [#o6fa1c6c]
なし