半導体【電験3種-理論】

理論

電験3種の理論で出題される半導体について、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。また、電験3種の試験で、実際に出題された過去問題も解説しています。

半導体の基礎知識

銅や鉄のように電流を流しやすい導体と、ゴムや硝子のように電流を流さない絶縁体の中間的な性質をもった物質を半導体といいます。つまり半導体とは、電気伝導性が導体と絶縁体との中間である物質といえます。また、半導体は、絶対零度では電気伝導性を示さず、温度の上昇に伴って電気伝導性が高くなります。半導体の種類としては、「真性半導体」と「不純物半導体」に大別されます。

真性半導体

シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)などの半導体を、不純物を入れないようにきわめて高い純度に精製した物質を真性半導体といいます。

シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)の原子は最外殻に4個の価電子をもっています。真性半導体はこれらの価電子が共有結合をして安定しています。しかし、光や熱、電界などの外部からエネルギーが加わると、価電子の一部が原子核の拘束を離れて「自由電子」となり、移動した価電子の後には「正孔(ホール)」ができます。この自由電子とホールが電流を流す「キャリア」として働きます。

真性半導体
真性半導体

不純物半導体

シリコン(Si)を用いた半導体に5個の価電子をもつヒ素(As)を少量加えると、シリコンの原子と結合するときに1個の電子が余ることになります。この余った電子を「自由電子」といい、半導体はより電流を流しやすくなります。このように、5価の元素をごくわずか混ぜて作った不純物半導体を「n型半導体」といいます。このとき不純物として入れたヒ素原子等は「ドナー(donor)」と呼ばれています。ドナーになる物質としては、ヒ素(As)のほか、りん(P)、アンチモン(Sb)などがあります。電子が余っているということは相対的にマイナス、つまりネガティブ(Negative)だということでこれをn型半導体といいます。

n型半導体
n型半導体

真性半導体に、3個または5個の価電子をもつ元素を少量加えた半導体を不純物半導体といいます。例えば、シリコン(Si)を用いた半導体に3個の価電子をもつホウ素(B)を少量加えると、共有結合において不足する位置に正孔ができます。正孔はキャリアとして働くため、半導体はより電流を流しやすくなります。このように、3価の元素をごくわずか混ぜて作った不純物半導体を「p型半導体」といいます。このとき不純物として入れたホウ素原子等は「アクセプタ(acceptor)」と呼ばれています。アクセプタになる物質としては、ホウ素(B)のほか、インジウム(In)、ガリウム(Ga)などがあります。電子はマイナスの電荷を持っていますから、電子が不足しているということは相対的にプラス、つまりポジティブ(Positive)だということでこれをp型半導体といいます。

p型半導体
p型半導体

p型半導体とn型半導体の接合

n型半導体の多数キャリアは自由電子で、p型半導体の多数キャリアは正孔です。n型半導体とp型半導体を接合した場合、接合面付近にある双方の多数キャリアは、じわじわと互いの領域に移動して結合し消滅します。この現象を「拡散」といいます。拡散現象が起こると、接合面付近には自由電子も正孔もない領域ができます。この領域を「空乏層」といいます。

p型半導体とn型半導体の接合
p型半導体とn型半導体の接合

また、接合面付近のp型領域では電子が流入してくるので負の電荷が、n型領域では正孔が流入してくるので正の電荷が現れます。この電荷(電界)は、キャリアの移動を妨げる方向に働きます。

電験3種-理論(電子回路)過去問題

1998年(平成10年)問1

きわめて高い純度に精製されていたけい素(Si)やゲルマニウム(Ge)などのような真性半導体に、微量のひ素(As)又はアンチモン(Sb)などの( ア )価の元素を不純物として加えたものを( イ )形半導体といい、このとき加えた不純物を( ウ )という。
上記の記述中の空白の箇所( ア )、( イ )、( ウ )に記入する数値又は字句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

( ア )( イ )( ウ )
(1)5nドナー
(2)3pアクセプタ
(3)3nドナー
(4)5nアクセプタ
(5)3pドナー

1998年(平成10年)問1 過去問解説

きわめて高い純度に精製されていたけい素(Si)やゲルマニウム(Ge)などのような真性半導体に、微量のひ素(As)又はアンチモン(Sb)などの( 5 )価の元素を不純物として加えたものを( n )形半導体といい、このとき加えた不純物を( ドナー )という。

答え(1)

2002年(平成14年)問10

 次の文章は、p形半導体とn形半導体の接合面におけるキャリアの働きについて述べたものである。

  • 図1のように、p形半導体とn形半導体が接合する接合面付近では、拡散により、p形半導体内のキャリア(△印)はn形半導体の領域内に移動する。また、n形半導体内のキャリア(□印)はp形半導体の領域内に移動する。
  • 接合面付近では、図2のように拡散したそれぞれのキャリアが互いに結合して消滅し、 ( ア ) と呼ばれるキャリアのない領域が生じる。
  • その結果、( ア )内において、p形半導体内の接合面付近に( イ )が、n形半導体内の接合面付近に( ウ )が現われる。
  • それより、接合面付近にはキャリアの移動を妨げる( エ )が生じる。 その方向は、図2中の矢印( オ )の方向である。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

(ア)(イ)(ウ)(エ)(オ)
(1)空乏層負の電荷正の電荷電 界A
(2)反転層正の電荷負の電荷磁 界A
(3)空乏層負の電荷正の電荷磁 界C
(4)反転層正の電荷負の電荷電 界B
(5)空乏層負の電荷正の電荷電 界B

2002年(平成14年)問10 過去問解説

  • 図1のように、p形半導体とn形半導体が接合する接合面付近では、拡散により、p形半導体内のキャリア(△印)はn形半導体の領域内に移動する。また、n形半導体内のキャリア(□印)はp形半導体の領域内に移動する。
  • 接合面付近では、図2のように拡散したそれぞれのキャリアが互いに結合して消滅し、 ( 空乏層 ) と呼ばれるキャリアのない領域が生じる。
  • その結果、( 空乏層 )内において、p形半導体内の接合面付近に( 負の電荷 )が、n形半導体内の接合面付近に( 正の電荷 )が現われる。
  • それより、接合面付近にはキャリアの移動を妨げる( 電界 )が生じる。 その方向は、図2中の矢印( B )の方向である。

答え(5)

2006年(平成18年)問11

極めて高い純度に精錬されたけい素(Si)の真性半導体に、微量のほう素(B)又はインジウム(In)などの( ア )価の元素を不純物として加えたものを( イ )形半導体という。このとき加えた不純物を( ウ )という。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)及び(ウ)に当てはまる語句又は数値として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 ( ア )( イ )( ウ )
(1)5nドナー
(2)3pアクセプター
(3)3nドナー
(4)5nアクセプター
(5)3pドナー

2006年(平成18年)問11 過去問解説

極めて高い純度に精錬されたけい素(Si)の真性半導体に、微量のほう素(B)又はインジウム(In)などの( 3 )価の元素を不純物として加えたものを( p )形半導体という。このとき加えた不純物を( アクセプター )という。

答え(2)

2008年(平成20年)問11

pn接合の半導体を使用した太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。半導体のpn接合部分に光が当たると、光のエネルギーによって新たに( ア  )と( イ )が生成され、( ア )はp形領域に、( イ )はn形領域に移動する。その結果、p形領域とn形領域の間に( ウ  )が発生する。この( ウ )は光を当てている間持続し、外部電気回路を接続すれば光エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができる。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、及び(ウ)に当てはまる語句として、正Lいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

(ア)(イ)(ウ)
(1)電 子正 孔起磁力
(2)正 孔電 子起電力
(3)電 子正 孔空間電荷層
(4)正 孔電 子起磁力
(5)電 子正 孔起電力

2008年(平成20年)問11 過去問解説

太陽電池は、シリコンなどの半導体で作られ pn 接合部分に光(光子)が当たると、衝突した光子のエネルギーによって電子と正孔が発生し、これらの電荷を帯びた粒子(荷電粒子)が移動する仕組みにより、電気が流れます。

pn接合の半導体を使用した太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。半導体のpn接合部分に光が当たると、光のエネルギーによって新たに( 正孔  )と( 電子 )が生成され、( 正孔 )はp形領域に、( 電子 )はn形領域に移動する。その結果、p形領域とn形領域の間に( 起電力  )が発生する。この( 起電力 )は光を当てている間持続し、外部電気回路を接続すれば光エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができる。

答え(2)

2009年(平成21年)問11

半導体に関する記述として,誤っているのは次のうちどれか。

(1) シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体においては、キャリヤの電子と正孔の数は同じである。
(2) 真性半導体に微量のⅢ族又はV族の元素を不純物として加えた半導体を不純物半導体といい、電気伝導度が真性半導体に比べて大きくなる。
(3)シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体にV族の元素を不純物として微量だけ加えたものをp形半導体という。
(4)n形半導体の少数キャリヤは正孔である。
(5)半導体の電気伝導度は温度が下がると小さくなる。

2009年(平成21年)問11 過去問解説

シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体にV族の元素を不純物として微量だけ加えたものをn形半導体といいます。したがって(3)の記述が誤りです。

答え(3)

2010年(平成22年)問11

次の文章は、図1及び図2に示す原理図を用いてホール素子の動作原理について述べたものである。

図1に示すように、p形半導体に直流電流 $I$〔A〕を流し、半導体の表面に対して垂直に下から上向きに磁束密度 $B$〔T〕の平等磁界を半導体にかけると、半導体内の正孔は進路を曲げられ、電極①には( ア )電荷、電極②には( イ )電荷が分布し、半導体の内部に電界が生じる。また、図2のn形半導体の場合は、電界の方向はp型半導体の方向と( ウ )である。この電界により、電極①ー②間にホール電圧 $V_H=R_H×$( エ )〔V〕が発生する。
ただし、$d$〔m〕は半導体の厚さを示し、$R_H$ は比例定数〔㎥/C〕である。

上記の記述中の空白個所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる語句又は式として、正しいものを組み合わせたのはどれか。

2010年(平成22年)問11 過去問解説

ホール素子とは、p型または n 型の半導体に直流電流を流し、電流に対して垂直方向に磁界をかけると、電流と磁界の両方に直交する方向に起電力が現れる素子です。この現象はホール効果といい、運動する電子などのキャリアが磁界からローレンツ力を受けて導体の片側に偏ることによって起こります。尚、ホール素子は、磁界の検出などに用いられています。

答え(5)

2013年(平成25年)問11

次の文章は、不純物半導体に関する記述である。

極めて高い純度に精製されたケイ素(Si)の真性半導体に、微量のリン(P)、ヒ素(As)などの( ア )価の元素を不純物として加えたものを( イ )形半導体といい、このとき加えた不純物を( ウ )という。
ただし、Si、P、Asの原子番号は、それぞれ14,15,33である。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

( ア )( イ )( ウ )
(1)5アクセプタ
(2)3ドナー
(3)3アクセプタ
(4)5アクセプタ
(5)5ドナー

2013年(平成25年)問11 過去問解説

極めて高い純度に精製されたケイ素(Si)の真性半導体に、微量のリン(P)、ヒ素(As)などの( 5 )価の元素を不純物として加えたものを( n )形半導体といい、このとき加えた不純物を( ドナー )という。
ただし、Si、P、Asの原子番号は、それぞれ14,15,33である。

答え(5)

2016年(平成28年)問11

半導体に関する記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)極めて高い純度に精製されたシリコン(Si)の真性半導体に、価電子の数が3個の原子、例えばホウ素(B)を加えるとp形半導体になる。
(2)真性半導体に外部から熱を与えると、その抵抗率は温度の上昇とともに増加する。
(3)n形半導体のキャリアは正孔より自由電子の方が多い。
(4)不純物半導体の導電率は金属よりも小さいが、真性半導体よりも大きい。
(5)真性半導体に外部から熱や光などのエネルギーを加えると電流が流れ、その向きは正孔の移動する向きと同じである。

2016年(平成28年)問11 過去問解説

導体は,熱を与えると一般的に抵抗率が増加します。しかし、半導体は反対に減少します。 つまり、温度の上昇に伴って電気伝導性が高くなります。したがって(2)の記述が誤りです。

答え(2)

コメント