日立ハイテクこのウェブサイトでは、JavaScriptの機能を有効に設定していただくことで、最適なコンテンツをご覧いただけます。半導体とは1半導体の性質その名称は広く知られていますが、そもそも「半導体」とはどのようなものなのでしょうか。ここでは、半導体の性質と電気伝導のしくみについて解説します。半導体は、一定の電気的性質を備えた物質です。物質には電気を通す「導体」と、電気を通さない「絶縁体」とがあり、半導体はその中間の性質を備えた物質です。電気的性質を示すものとして抵抗率があります。導体は抵抗が低くて電気が通しやすい金、銀、銅などが相当します。絶縁体は抵抗が高く、電気が通りにくいゴム、ガラス、セラミックスなどがあります。これらの中間的な性質を備える半導体は、温度によって抵抗率が変化します。低温時ではほとんど電気を通しませんが、温度が上昇するにつれて、電気が通りやすくなります。不純物をほとんど含まない状態の半導体は、ほとんど電気を通しません。ある種の元素などを含ませることで電気を通しやすくなります。した性質が、多くの電化製品の制御を行なう上でとても役立つのです。半導体には単一の元素からなる「元素半導体」があり、半導体材料としてよく知られているシリコンなどが含まれます。これに対し、2種類以上の化合物からなるものは「化合物半導体」と呼ばれ、半導体レーザーや発光ダイオード(LED)などに使われています。エネルギーバンドと電気伝導のしくみ原子は、原子核とその周りの軌道上の電子で構成されています。それぞれの軌道は不連続的な飛び飛びの値をもちます。電子が取ることのできるエネルギーを、「エネルギー準位」と呼びます。原子が多数集まって結晶を構成すると、このエネルギー準位が連続的に分布し、バンド(帯)状の準位を作ります。バンド構造を比較すると、以下の様になります。金属では、バンド中にフェルミ準位(Ef)があり、価電子を含むバンド内に空き準位があります。このため、金属では価電子がそのまま伝導電子(自由電子)となります。半導体や絶縁体では、伝導体と価電子帯の間の禁制帯のバンドギャップ(Eg)中にフェルミ準位(Ef)が存在するため、価電子にバンドギャップを超えるエネルギーを与えると価電子帯から伝導帯へ励起することで、初めて伝導電子が得られます。半導体は、常温で熱等の運動エネルギーにより価電子帯の電子の一部が伝導帯に励起されることで、若干の電気伝導を示します。半導体は、絶対零度では、電子は伝導帯に励起されず、導電性は示しません。絶縁体では、バンドギャップ(Eg)が価電子の運動エネルギーよりも大幅に大きいため、伝導体に価電子が遷移されず、電気伝導が生じません。絶縁体と半導体の相違は、このバンドギャップ(Eg)の大きさの違いです。バンドギャップ(Eg)が大きいほど、抵抗値が高くなります。ICなどに使われる半導体の結晶は、99.999999999%と9が11桁も並ぶ、高純度の単結晶シリコンですが、これで実際に回路を作る場合は、不純物(添加物)を加えて電気的性質を制御して使っています。加える不純物によって、n型、p型の半導体になります。n型半導体には、高純度シリコンに5価のリン(P)や、ヒ素(As)が添加されています。これらの不純物は、ドナーと呼んでいます。ドナーのエネルギーレベルは、伝導帯に近い位置、すなわちエネルギーギャップの小さな位置にあります。するとこのエネルギーレベルにいる電子は、容易に伝導帯まで励起されて電気伝導に寄与します。p型半導体には、3価のボロン(B)などが添加されています。これは、アクセプターと呼んでいます。アクセプターのエネルギーレベルは、価電子帯に近い位置にあります。ここにはもともと電子がいないので、価電子帯の電子がここに励起されます。その結果、価電子帯に正孔(ホール)ができ、これが電気伝導に寄与します。半導体の製造工程で使用されるエッチング装置の製品ラインアップをご紹介します。製造工程では、高性能な計測・検査装置による品質管理が不可欠です。用いられる、最先端の解析装置をご紹介します。