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検索対象: 半導体の話―物性と応用―

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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

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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

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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 。

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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

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ン ジ ス タ が 生 ま れ る 少 し 前 か ら 、 ゲ ル マ ニ ウ ム の 研 究 が 米 分 国 で は 極 め て 精 力 的 に 進 め ら れ た 。 こ れ は 立 ロ モ や カ 訓 練 用 を か ね て 人 類 に 与 え た 典 型 的 な 半 導 体 』 チ ン の だ っ た と い う こ と が で き る 。 何 故 な ら 第 3 図 の 様 に 、 ゲ レ 律 マ ニ ウ ム は 元 素 で あ る 。 つ ま り 元 素 の 周 期 律 表 の 中 に あ ニ 錫 周 る 。 他 の 元 素 と 化 合 し て 作 ら れ た も の で な い 。 結 品 の 主 体 元 は ゲ ル マ ニ ウ ム 原 子 が 規 則 正 し く 並 ん だ も の で あ る 。 こ れ ・ は 実 験 的 に 取 扱 う 上 に も 、 ま た 、 理 論 的 に 考 え る に も 誠 に 弘 ム ム ) ン 都 合 が よ い ン 第 乃 ガ イ ベ ル 電 話 研 究 所 で は 「 第 一 に ゲ ル マ ニ ウ ム 、 次 に シ リ コ ン 、 そ れ が こ な せ た ら 、 次 は 化 合 物 」 と い う 大 方 針 を た て 、 基 礎 的 な 研 究 か ら 、 段 々 応 用 上 の 開 拓 を 進 め て 行 く コ ン ヴ = ア ー に 乗 せ て 行 く 計 画 を 立 て 、 実 行 し て 来 た 。 し た が っ て 、 ト ラ ン ジ ス タ は 先 ず ゲ ル マ ニ ウ ム で 作 ら れ た 。 こ れ に 対 し て 、 第 3 図 の 表 か ら も 判 る 様 に 、 シ リ コ ン は ゲ ル マ ニ ウ ム と 本 質 的 に か な り 似 た 性 質 を も っ て い る 。 そ し て 同 し く 半 導 体 で あ る 。 親 戚 と い う よ り 、 兄 弟 と い っ た 方 が 良 い 位 で あ る 。

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か け て 解 放 し た と い う 話 を き い た 事 も あ る 。 当 然 プ フ ァ ン は 近 代 半 導 体 工 業 の 中 で 大 切 な 存 在 と な っ た 。 ベ ル 電 話 研 究 所 は 、 実 質 の 上 で 彼 を 充 分 に 厚 く 遇 し 、 研 究 上 の 大 き な 便 宜 を 与 え て 彼 の 業 績 に む く い た の で あ る 。 こ の す は ら し い 純 化 技 術 は 技 術 革 新 の 芽 と な っ た 。 。 フ フ ァ ン は 、 時 に め ぐ ま れ 、 そ し て 材 料 に も め ぐ ま れ た と い う 事 が で き る 。 半 導 体 で な け れ ば 、 実 際 に 九 九 ・ 九 九 九 九 九 九 九 。 ( 1 セ ン ト の 純 度 ま で 本 当 に 上 が っ た か ど う か を 知 る 術 が な 、 。 半 導 体 に し て は じ め て 第 図 の と こ ろ で 示 し た 様 に 、 実 際 に 電 気 的 な 抵 抗 率 か ら は っ き り と そ れ が 判 る か ら で あ る 。 さ て 、 こ の 様 な 純 粋 な 結 品 が で き る 様 に な っ た と い う こ と は 、 た だ 半 導 体 工 業 に 好 都 合 だ っ た だ け で な く 、 半 導 体 物 理 学 に 基 本 的 な 利 得 を も た ら し た 。 物 理 学 と い う も の は 、 物 の 本 性 を 知 る 学 間 だ か ら 、 対 象 と し て 取 扱 う 物 質 の 素 性 が 知 れ な い と い う と 、 そ の 研 究 を 進 め よ う と す る 者 は 大 変 苦 労 す る 。 殊 に 不 純 物 原 子 が 入 る と 、 電 気 的 性 の 質 が 大 き く 変 化 す る 様 な 半 導 体 で は 、 そ の 本 性 に 迫 る に は 、 学 1 ・ そ の も の 本 来 の 性 質 工 と 2 ・ そ れ が 外 か ら 加 え ら れ た 不 純 物 原 子 に よ っ て 変 化 を 生 ず る あ り さ ま 物 と い う 二 段 が ま え で 理 解 を 進 め て 行 く 必 要 が あ る 。 は じ め か ら 、 我 々 の 知 ら な い 不 純 物 が 知 ら 2 な い 量 加 わ っ て い る 結 晶 を 相 手 に し て い た の で は 手 が つ け ら れ な い 。 そ こ で 、 一 度 非 常 に 純 粋 7 な 半 導 体 そ の も の に つ い て 知 る こ と が で き る 様 に な っ た と い う 事 が 、 重 大 な 意 味 を 持 つ わ け な