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半導体の話―物性と応用―


3 半 導 体 の 話 ー 物 性 と 応 用 ー 菊 池 誠 52 NHK ブ ッ ク ス

半導体の話―物性と応用―


ま え が き 半 導 体 : か ら く り に 満 ち た 電 気 材 料 可 能 性 の 宝 庫 ・ 技 術 革 新 の 立 役 者 ・ 半 導 体 の 持 ち 味 ・ 2 物 理 学 と 工 学 と の 対 話 理 解 す る 前 に 使 わ れ た ・ 半 導 体 ら し さ ・ 理 論 的 な 基 本 概 念 ・ 工 学 か ら 物 理 学 へ 1 , ー ー 半 導 体 を な か だ ち に し て じ 70 52 39 : ・ 〔 三 九 〕

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一 理 解 す る 前 に 使 わ れ た 対 の あ る 現 象 が 実 験 事 実 と し て は 極 め て 明 白 で 、 誰 が い つ や 0 て も 再 現 さ れ る の に 、 そ の 本 性 を と 丁 理 解 す る こ と が 難 し い た め に 、 長 い 間 に わ た 0 て 、 よ く わ か ら な い ま ま に 使 わ れ る だ け 使 わ れ 学 て い る と い う 事 が あ る 。 半 導 体 と い う も の を 考 え て み る と 、 こ れ を 応 用 す る と い う こ と に つ い て の 歴 史 は か な り 古 い 。 し か し 、 こ と 、 学 問 的 な 理 解 と い う 点 に な る と 、 は じ め の う ち は 極 め て 貧 弱 な 知 識 し か 技 術 者 達 は 持 ち 合 わ せ て い な か っ た の で あ る 。 例 え ば 、 セ レ ン と い う 半 導 体 に つ い て み る と 、 一 入 七 六 年 に ア ダ ム ス と い う 人 達 が 、 は じ め 2 物 理 学 と 工 学 と の 対 話 半 導 体 を な か だ ち に し て

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S 2 物 理 学 と 工 学 と の 対 話 と い う 定 義 を し よ う と す る と 、 話 が 却 っ て 判 り に く く な る 可 能 性 が あ る 。 そ こ で 先 ず 、 半 導 体 ら し さ と い う こ と に つ い て 説 明 し て 行 き 、 そ の 後 で 全 体 を ふ り か え 0 て み れ ば 、 半 導 体 と い う も の の 具 体 的 な イ メ 1 ジ が 形 成 さ れ る だ ろ う と 考 え る 。 私 達 が 小 さ い 結 品 を 与 え ら れ て 、 そ れ が 「 半 導 体 で あ る か 、 そ う で な い か ? 」 と た す ね ら れ た ら 、 先 ず 電 流 の 流 れ 方 を 調 べ る だ ろ う 。 一 番 簡 単 な 方 法 は 、 第 9 図 の 様 に 、 テ ス タ 1 を 使 0 て 、 大 体 の 電 気 抵 抗 を あ た っ て み る こ と で あ る 。 テ ス タ ー の 棒 の 両 端 を 、 結 品 の 両 端 に あ て て 、 メ ー タ ス ー が 大 体 ど の 位 の ふ れ を 示 す か 調 べ て み る 。 タ も し 、 針 が 殆 ど 振 れ な い 様 な ら テ 回 「 こ れ は 半 導 体 で は な く 、 む し ろ 絶 縁 体 で あ ろ う 」 を る 回 抗 み と 一 応 は 考 え る ( 一 応 は の 説 明 は 後 で す る ) 。 抵 て 気 「 次 に も し 針 が 端 ま で 一 杯 に 振 れ る 様 な ら 、 そ れ は 殆 ど 抵 抗 が 電 当 の で な い 、 つ ま り 極 め て 電 流 を よ く 流 す と い う 事 だ か ら 、 こ れ も 「 半 導 体 で は な く て 、 何 か の 金 属 で は な い か 」 結 タ と 疑 っ て み る だ ろ う 。 図 こ の 様 に 、 電 気 の 通 り 方 で 、 第 一 の 目 安 を つ け る わ け で あ 第 0 結 晶 る 。 5

半導体の話―物性と応用―


国 の 予 算 の 一 部 を あ ず か っ て み る と 、 研 究 の 計 画 を 立 て 、 そ れ を 企 画 し 進 め て 行 く の に 、 や は り 相 応 の 配 慮 を せ ね ば な ら な く な っ た 。 そ う し て い る う ち に も 、 半 導 体 の 研 究 と 、 そ の 応 用 へ の 開 発 は 、 大 変 な 速 さ で 進 ん で 来 た 。 あ る 時 期 ま で は 、 私 は 私 の 研 究 室 の 談 話 会 で 読 ま れ る 外 国 の 文 献 を 、 私 自 身 前 以 っ て 完 全 に 読 ん で 検 討 し て い た の だ け れ ど 、 そ ん な こ と は 到 底 で き な い 程 、 論 文 の 洪 水 が 押 し よ せ る 様 に な っ た 。 然 し こ の 事 が 、 却 っ て 私 達 の 研 究 を 、 独 立 さ せ る 傾 向 を 生 ん だ と も い え る 。 一 方 、 半 導 体 技 術 の 進 歩 は 、 日 本 に も 眼 に 見 え た 恩 恵 を 生 み 出 し た 。 エ レ ク ト ロ ニ ク ス は 、 生 活 の 中 に 、 静 か に し み 通 り は じ め 、 ト ラ ン ジ ス タ や 、 い ろ い ろ の 新 し い エ レ ク ト ロ ニ ク ス の 産 物 が 、 思 わ ぬ と こ ろ で 実 生 活 を 豊 か に す る 役 目 を 果 し て い る 事 が 理 解 さ れ て 来 た の で あ る 。 半 導 体 と よ ば れ る 材 料 は 、 実 に ヴ ァ ラ エ テ ィ に 富 み 、 そ し て 、 可 能 性 の 宝 庫 の 様 に さ え 私 達 に は 思 わ れ る 。 こ の 愛 す べ き 材 料 を 、 も っ と も っ と 、 世 間 一 般 の 人 達 に 知 っ て ほ し い と い う 気 持 を 私 達 は 持 っ 様 に な っ た 。 と こ ろ が 、 半 導 体 は 、 そ の 特 別 な か ら く り の ゆ え に 、 ト ラ ン ジ ス タ な ど の 有 用 な 特 色 を 示 す の で あ っ て 、 そ の 特 別 な か ら く り を 説 明 す る に は 、 ど う し て も 物 理 学 の 一 = 〔 葉 を 使 わ な い と 判 っ て も ら え な い 。 と こ ろ が 、 物 理 学 の 言 葉 と い う も の は 、 世 間 一 般 に 面 倒 で 判 り に く い と 信 し ら れ て い る 。 こ の た め に 、 こ の 面 白 い 半 導 体 の か ら く り を 人 に 話 し か け る 事 が 実 は 大 変 難 し い の で あ る 。 同 じ 様 な 事 が 、 電 子 計 算 機 に つ い て も い え る 。 二 進 法 の 話 が は じ ま る と 、 途 端 に あ き ら め て し ま う く に よ さ ん

半導体の話―物性と応用―


例 え ば 第 Ⅱ 図 の 様 な 方 法 で あ る 。 結 品 を 銅 板 に 乗 せ 、 こ れ に 針 を 押 し つ け る 。 そ し て こ の 針 を 少 し 温 め る 。 こ れ に は 細 い = ク 0 ム 線 の 様 な も の を 巻 い て も よ い 。 こ う し て 、 温 い 針 を お し つ け 、 針 と 下 の 銅 板 と の 間 に 、 感 度 の よ い 電 流 計 を 入 れ る 。 一 般 に 半 導 体 は 、 こ の 場 合 に か な り の 電 流 を 流 す 作 用 が あ る 。 特 に 、 半 導 体 の 性 質 に よ 0 て 、 こ の 電 流 計 の 針 が 右 に ふ れ た り 、 場 合 に よ 0 て 左 に ふ れ た り す る か ら 、 そ れ に よ 0 て 、 そ の 結 品 の 電 気 的 な 性 質 ま で 判 断 す る 事 が で き る 。 こ の 様 に 熱 の 作 用 を 使 う 他 に 、 硫 化 カ ド ミ ウ ム の 結 品 の 例 で 前 に 触 れ た 様 に 、 光 を あ て て 、 電 気 の 流 れ 方 の 変 化 が 生 ず る か ど う か を 見 て も よ い 。 こ れ は 半 導 体 に 特 有 の 性 質 の 一 つ で あ る 。 結 品 に よ 0 て こ の 性 質 が 強 く 出 る も の と 、 弱 い も の と が あ る し 、 ま た 、 あ て る 光 の 色 ( す な わ ち 波 長 ) に よ 0 て も 効 果 は 非 常 に 違 う か ら 注 意 が 要 る 。 つ ま り 、 赤 い 光 で 照 ら し て も 殆 ど 変 化 が 見 ら れ な い が 、 黄 色 と か 緑 色 の 光 で な ら 変 化 が 起 こ る と い う こ と が あ る か ら で あ る 。 話 こ こ に 述 べ た 様 な ポ イ ン ト が 、 与 え ら れ た 結 品 が 半 導 体 で あ る か ど う か を し ら べ る 上 に 我 ~ の が 注 意 を す る 点 で あ る 。 学 だ か ら 逆 に い え ば 、 こ う い 0 た 点 が 、 半 導 体 と い う も の の 一 般 的 な 特 色 、 つ ま り 、 半 導 体 ら AJ し さ と い う 事 に な る だ ろ う 。 物 半 導 体 に は 、 前 に も 述 ~ た 様 に 、 極 め て ヴ , ラ = テ → が 多 く 、 し か も 、 そ れ ぞ れ が 独 得 0 持 ち 味 を 具 え て い る か ら 、 そ れ ぞ れ の 特 色 に 目 を う ば わ れ て い た の で は 、 一 般 的 に み た 半 導 体 ら し さ と い う も の は 出 て こ な い 。

電磁気学


2. 導 体 の " 外 部 " と い う 言 葉 の 意 味 は , 幾 何 学 的 に 導 体 の 外 に あ る と い う こ と で は な く て , 中 性 の 状 態 の 導 体 を 本 来 構 成 し て い る 電 子 や イ オ ン の 電 荷 系 に は 属 さ な い " よ そ も の " と い う 意 味 だ と 考 え れ ば よ い . し た が て 亠 些 3 当 ) ? の 表 面 に の み 分 布 し , 導 体 内 部 に は 電 荷 も 電 場 も な 士 日 . ム 、 プ い . 導 体 外 の 電 場 は 導 体 表 面 に 垂 直 に な る . [ 例 題 1 ] 半 径 の 導 体 球 に 電 荷 Q が 与 え ら れ て い る . 電 場 と 導 体 球 の 電 位 を 求 め よ . [ 解 ] 導 体 球 に 与 え ら れ た 電 荷 は 球 面 上 「 分 布 す る . 球 の 対 称 性 か ら , 電 荷 分 布 は 球 面 上 に 一 様 で , そ の 面 密 度 は び = Q / 4 で あ る . し た が っ て , そ の 電 場 の 様 子 は [ 問 1 ] と 同 じ で あ ー る 第 一 電 場 一 1.5 の 口 に あ っ て , Er(r) 4 応 EO % た し か に , 、 を 烋 夢 肉 早 , ー 昜 が 存 ゝ . す ナ わ ち , 球 面 上 に 一 様 に 分 と な る . 布 し た 電 荷 は , 球 内 に は 電 場 を 作 ら な い . 導 体 球 の 電 、 は , 球 外 の 電 場 け > の 式 ) を 用 い て 計 算 す れ ば よ い . 無 限 遠 を 基 準 点 と す る と , 次 式 の よ う に な る . [email protected]( わ = —Q— [ 問 2 ] 半 径 1 cm の 導 体 球 に , ク = 1.0 >< 10 ー 8C の 電 荷 を 与 え た . 電 位 を 求 め よ . [ 答 : 9.0 >< 103 V] [ 問 3 ] 地 球 の 表 面 に は い つ も 平 均 E = 1.0>< 102V / m の 電 場 が 下 向 き に あ る . 地 球 を 導 体 と 考 え て , 全 電 荷 を 求 め よ . 地 球 の 半 径 を = 6.4>< 106m と す る . ー 1.0>< 102V / m で あ る . Q = 4 応 が Er ( の = ー 4.6>< 105C ] 式 ( 2.3 ) か ら わ か る よ う に , 導 体 に 電 荷 を た め て い く と , そ れ に 比 例 し て 表 面 の 電 場 が 強 く な る . 1 気 圧 の 空 気 中 で は , E = 3 >< 106V / m に な る と 空 気 の 分 子 が 電 場 に よ っ て イ オ ン 化 し , 空 気 も 導 体 と な っ て 電 荷 が 逃 げ は じ め る . れ を 放 電 と い う . し た が っ て , こ れ 以 上 の 電 荷 を 導 体 に た め る こ と は で き な い . [ 問 4 ] 半 径 1 cm の 導 体 球 に た め る こ と の で き る 電 荷 を 求 め よ . [ 答 : [ 問 3 ] と 同 じ よ う に 計 算 す る . Q = 3.3 x 10 ー 8 C] 42 ( 2.3 ) ( 2.4 )

選択 2016年 10月号


こ と で 、 よ り 容 易 に 温 度 情 報 な ど の わ ず か に 加 ん る だ け で 、 半 導 体 を 読 み 取 る こ と が 可 能 に な っ た と の 性 質 を 示 す よ う に な る 。 い 、 つ 。 プ ロ ジ ェ ク ト チ ー ム に は 、 型 半 導 体 だ け 、 も し く は Z 型 ト ッ パ ン ・ フ ォ 1 ム ズ や 富 士 フ イ だ け で も 計 算 を 行 う 論 理 回 路 を 構 イ レ プ ル ム な ど 大 手 企 業 や 、 竹 谷 研 究 室 成 す る こ と は で き る 。 し か し 両 者 と イ か ら 生 ま れ た パ イ ク リ ス タ ル と い を 組 み 合 わ せ る こ と で 、 よ り 高 性 能 の 回 路 に す る こ と か 可 能 だ 。 、 つ べ ン チ ャ ー 企 業 も 参 加 。 発 表 に 有 ュ で た よ れ ば 、 富 士 フ ィ ル ム と パ イ 社 は 型 と z 型 は そ れ ぞ れ 反 対 の 性 質 を 〔 芸 さ 共 同 で 、 有 機 ト ラ ン ジ ス タ の 集 積 も っ て い る た め 、 組 み 合 わ せ る こ 蟲 当 ( ( " 宀 豕 レ し な お 用 化 に 成 功 し 、 8 ビ ッ ト の 情 報 処 理 と で 同 じ 乍 業 を 行 う の に 必 要 な 半 ( ( で を 実 証 し た 。 ま た 、 ト ッ パ ン ・ フ 導 体 デ バ イ ス の 個 数 を 削 減 す る こ す オ ー ム ズ が 開 発 し た 低 コ ス ト の ア と が で き る 。 ま た 、 一 方 だ け を 使 っ た 回 路 よ り も 、 型 と Z 型 を 組 レ イ ン 電 極 な ど か ら 構 成 さ れ て い る こ と が 可 能 と な り 、 実 用 性 は 高 ン テ ナ デ バ イ ス や 温 度 セ ン サ ー な く な る 。 時 任 教 授 ら は 一 四 年 に 、 ど が 使 わ れ 、 軽 く て 薄 い 電 子 タ グ み 合 わ せ た 回 路 の ほ う が 、 消 費 電 る 。 型 の も の を 「 」 、 の 実 現 に 寄 与 し た と い う 。 こ の 電 力 が 少 な い と い う メ リ ッ ト も あ る 。 Z 型 の も の を 「 」 と 呼 ぶ 。 従 来 品 よ 彑 局 い 電 気 移 動 度 を 持 っ 子 タ グ が 実 用 化 さ れ れ ば 物 流 の 効 た だ 、 無 機 材 料 と 異 な り 、 有 機 こ の と を 組 み 高 性 能 の Z 型 有 機 半 導 体 材 料 を 、 率 化 は も ち ろ ん 、 温 度 セ ン サ 】 を 半 導 体 で は Z 型 半 導 体 に 使 え る 材 合 わ せ た 回 路 を o>oco ( 相 補 型 印 刷 技 術 で 実 現 す る こ と に 成 功 し 活 用 し て 医 療 分 野 で の 応 用 も 期 待 料 が 0-« 型 と 比 較 し て 乏 し い と い 、 つ 金 属 酸 化 膜 半 導 体 ) と 呼 び 、 あ ら た と 発 表 し て い る 。 し か も 、 周 囲 さ れ る 。 ポ ト ル ネ ッ ク が あ っ た 。 こ の 問 題 ゆ る 電 子 機 器 に 用 い ら れ て い る 。 の 水 や 酸 素 の 影 響 を 受 け に く く 安 半 導 体 に は 大 き く 分 け て 一 一 種 類 解 決 に 取 り 組 ん で い る の が 、 山 形 し か し 、 有 機 半 導 体 で は 定 度 で も 優 れ て い る と い う 。 こ の あ る 。 「 型 」 と 「 型 , だ 。 無 大 学 有 機 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 研 究 セ と バ ラ ン ス の 取 れ た 性 能 を 持 っ z 研 究 で も 、 化 学 分 野 で 実 績 を 持 っ ン タ ー の 時 任 静 士 ・ 卓 越 研 究 教 授 が な い た め 、 を 中 宇 部 興 産 が 加 わ っ て い る た め 、 実 機 半 導 体 の 場 合 、 前 者 は シ リ コ ン 心 と し た 回 路 が 作 ら れ る こ と が 多 用 化 は す ぐ そ こ ま で き て い る と い 中 に ホ ウ 素 な ど の 不 純 物 を 混 ぜ て ら と 、 宇 部 興 産 の 研 究 グ ル ー プ だ 。 え そ う だ 。 作 ら れ る 。 こ の 半 導 体 で は 、 電 子 時 任 教 授 ら は 、 シ リ コ ン の >O か っ た と い う 。 が 不 足 し た 穴 ( 正 孔 ) が 動 く こ と で 、 型 と 呼 ば れ る ト ラ ン ジ ス タ に 類 前 述 し た と お り 、 と Z 電 子 機 器 の 小 型 化 ・ 高 性 能 化 は あ た か も プ ラ ス の 電 荷 を 持 っ た 電 似 し た 半 導 体 デ バ イ ス の 開 発 に 取 を 組 み 合 わ せ た ほ 、 つ が 、 デ あ る 程 度 頭 打 ち に な っ た よ う に も ハ イ ス 数 が 少 な く す む た め 、 回 路 見 え る 。 し か し 、 実 際 に は ま だ 発 子 か 動 い て い る か の よ う に 振 る 舞 り 組 ん で い る 。 こ の ト ラ ン ジ ス タ う 。 一 方 の z 型 半 導 体 の 場 合 、 シ は 、 半 導 体 層 の ほ か 、 絶 縁 体 層 や を よ り 集 積 さ せ る こ と が で き る 。 展 の 余 地 は あ り 、 日 本 の 研 究 に よ リ コ ン に リ ン な ど の 不 純 物 を ほ ん 金 属 ゲ ー ト 電 極 、 ソ ー ス 電 極 、 ド つ ま り 、 よ り 小 型 の 電 子 機 器 を 作 る 大 き な 成 果 が 期 待 さ れ て い る 。 91 日 本 の 科 学 ア ラ カ ル ト 2016.10 選 択

半導体の話―物性と応用―


や は り 半 導 体 と い う も の に は 、 そ れ ら し い 特 色 が あ る わ け で 、 こ こ に 述 べ た の が 、 そ の 例 で あ り 、 そ し て 、 話 を 判 り よ く す る た め に 、 特 に 現 象 論 的 に そ れ を な ら べ て み た の で あ る 。 一 理 論 的 な 基 本 概 念 半 導 体 の 純 粋 に 物 理 学 的 な 性 質 や 、 そ れ を 理 解 す る た め の 理 論 に つ い て 、 く わ し く 述 べ る こ と は 、 こ の 本 の 目 標 に 入 ら な い 。 し か し 、 こ れ ま で に 触 れ て き た 、 半 導 体 ら し さ と 呼 ん だ さ ま ざ ま な 性 質 や 、 こ れ か ら 述 べ よ う と す る 新 し い 諸 現 象 に つ い て 、 少 し 立 入 っ た 話 を す る 上 に 、 あ る 程 度 の 基 本 的 な 概 念 は ど う し て も 必 要 で あ る 。 そ こ で 、 必 要 な 範 囲 で 最 小 限 度 の 物 理 学 的 な 概 念 を 、 こ こ で 整 理 し て お く こ と に し よ う と 思 、 つ 前 に も 述 べ た が 、 半 導 体 と い う 材 料 は 、 よ く は 判 ら な い ま ま に 、 そ の 便 利 な 性 質 は 比 較 的 早 く か ら 経 験 的 に 見 つ け ら れ 、 ま た 利 用 さ れ て き た 。 整 流 現 象 、 光 に 感 ず る 現 象 、 温 度 差 で 起 電 力 が 生 す る 現 象 な ど 、 皆 か な り 使 わ れ て き た の で あ る 。 し か し 、 そ の 現 象 の 本 質 が 理 解 さ れ る 様 に な っ た の は 一 九 三 〇 年 頃 を 境 と し て で あ っ て 、 そ れ ま で 我 々 は 極 め て 乏 し い 知 識 し か 持 ち 合 わ せ て い な か っ た の で あ る 。 少 し 前 に さ か の ぼ っ て 考 え て み る と 、 物 理 学 に は 2 5

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半 導 体 の 舌 ー 物 性 と 言 応 用 す 定 価 ニ 八 0 円 し た 検 印 廃 止 え 昭 和 四 二 年 三 月 一 一 〇 日 第 一 刷 発 行 か 著 者 菊 池 発 行 者 加 藤 正 夫 は 合 印 刷 三 秀 舎 場 の 製 本 石 津 製 本 所 丁 東 京 都 千 代 田 区 内 幸 町 二 ノ 十 六 丁 新 日 本 ビ ル 落 発 行 所 日 本 放 送 出 版 協 会 振 替 東 京 四 九 七 〇 一 Ⅱ ブ ッ ク ス