P型半導体とN型半導体

専門学校の1年生向け、初学者を対象とした「P型半導体とN型半導体」の解説です。厳密に正しい説明ではありませんが、おおまかなところは掴んでもらえると思います。
JISではP形/N形のような表記になっていて、だから資格試験等ではそのような表記が多いようです。しかし俗には「タイプ」という意味でP型/N型と表記するほうが多いように感じますので、そちらを採用しました。

 

【書き起こし】 P型半導体とN型半導体

(00:00) を 知っ まずはですね半導体とは何かというところ から話を始めます まあただしね学術的にはこうだとか専門的 にはああだとかそういう話をしだすと 難しくなっちゃうんでね ここではこんな風に捉えるとわかりやすい かなというのをね紹介するに留めておき たいと思います 洋9半導体という塩ね眺めてもらいたいん ですが半導体の半の子これ半分の版ですね つまりコネ半分導体ということになるの でしょうかね では半分が胴体だとして残りの半分は何 でしょう そうですね残りの半分は同大じゃないんだ から不動たいですね皆さんはこれを絶縁体 となっているかもしれません 同隊は電気が流れるもの不動態は電気が 流れないものです つまり半分は電気が流れて半分は電気が 流れないそういうことですよね
(01:05) では半分てどう半分なんでしょうか 上半分と下半分ですか そうじゃないですよね これは胴体の時と不動態の時があ るってことですよね 半導体というのはだから場合によって胴体 になったり不動態になったりするもの こんな風に捉えるとねわかりやすいと思い ます たところで中には高校時代にね科学化け学 のテストでね絶縁体と答えるべきところを 不動態って書いちゃって罰を付けられた ことがある人がいるかもしれませんね でそういう人は不動態という言葉にねどう もあんなんだろうな嫌煙する気持ちって いうのかな抵抗感があるみたいなんです けれども不動態という言葉自体はですね別 にいけない言葉ではないので使って大丈夫 です 罰をもらってしまったっていうのは単純に それが使える場面ではなかったってこと ですよねきっとね だからもしね不動態は禁句だみたいな 思い込みをしているようだったらそれは
(02:08) リセットした方が良いです 話元に戻しますねではそもそもですね導体 と不動態はなぜそういう違いつまり電気が 流れる蚊流れないかという違いが表れるの かというとそれは電子のありようが違う からです 結論から言うと導体には自由電子が存在し ますあるいはその代わりになるような電子 が存在するこれが胴体です そして不動態は自由電子が存在しない あるいはその代わりになるような電子も 存在しないのが不動態 じゃあ自由電子でなんだった話ですけれど もね これはね厳密なことを言うと実は金属に 使う用語なんです 金属の結晶の中を自由に動き回れる電子の ことを自由電子って言うんですねでこの 自由電子が金属を胴体にしているんです 同隊は一部の電子が自由電子になっていて あるいは自由電子のようなものになってい
(03:11) て内部を自由に動き回ることができるん ですねだから電池をつなぐと電子の流れを 起こすことができるつまり電気を流すこと ができるのですが不動態ではすべての伝習 固定されていて移動することができないの で電球を流すことができません よくねえ電気の流れる様子を示すのにです ねー +の電荷が回路上を移動していく頭を使う ことがあります あるいはですね いや本当はここで電流って電子の流れなん だよーなんていう話でね 電子が電流とは反対の向きに回路上を移動 していくずこれを使うこともあります でもほんとはねここで単独の電荷が ずーっと移動していくねこれねちょっとに 違うんですね 同線の中には移動できる田酒自由電子が 数珠繋ぎのようにして並んでいます でそこをですね電池によってこっちから 押されあるいはこっちから引っ張られて ですね全体的にずれるようにして電気が
(04:15) 流れるんですね だから電気の運び手としてこの移動できる 電子が存在しないところが一部でもあると もう全体として電気は流れないんです だから半導体が胴体になったり不動態に なったりするっていうのはこれ言い換える とですね 自由電子が存在する状態と存在しない状態 この2つの状態を保っていてその間を 行き来することができるとこういうことな んですね uaau さていよいよ本題の n 型半導体と p 型半導体の話に入っていきます 半導体といえばどんな幻想を思い浮かべる かというとですねやっぱりですねゲイルま にゅーむあるいはシリコンが有名ですよね ケイ素と一体もしますね ただですねこのゲルマニウムやシリコンの 純粋なタンケ週にはそのままでは電気は 流れないんですねだから電気の材料として は扱いにくいんです
(05:20) ちなみにこの純粋な状態の半導体のことを 真性半導体と言うんですが新生なんて言う とねまるで半導体 no naka no 半導体みたいなネーミングなのにね扱い にくいなんてちょっと残念ですねまあ純粋 っていうのは扱いにくいものなのかもしれ ませんね それでどうするかってことなんですけれど もちょっとだけ不純物を混ぜるんですね そうすると急に電気が流れやすくなって歯 使いやすくなります これを不純物半導体とはこんな上に呼び ます この不純物半導体は混ぜる不純物のタイプ によって二つに分けられてそれがね n 方 解き方になるんですねそしてこの半導体 素子の多くがですねこの不純物半導体のぬ 方 p なたの組み合わせでできています それではですねどうして不純物を混ぜると 電気が流れやすくなるのかその辺からね見 ていきたいとおもいます これはですねゲルマニュウムの純粋な単 結晶のつもりですねでも実はですねこれ
(06:26) 実際の結晶の原子の並び方とはね全然違っ てます この絵を見ちゃうとね一つの原子が6つの 原種と結合しているように見えちゃったり すると思うんですよなんか六角形の方向に 広がってますのででもね実際は ゲルマニュウムは4つの原子としか結合し ません もちろんこの平面的に広がってるんじゃ なくて実際にはですねこんな風に立体的に 広がるんですね でこの雰囲気を醸しながらでも平面に 書こうとしたんですよ これで頑張って書いたんだけど無理したら こうなっちゃったとねそういうことだと 理解してください まだかなまぁなんだろうな生前に均一に 並んでるって言うのが表現されている ぐらいに思ってもらうといいと思います さてここにですね不純物混ぜますねー 愛でもこんなふうにまるで隙間にねじ込む ようにして混ぜるのではないんですね きちんと決勝の構成要素として組み込み ますでこれをどうビングっています 今ここに混ぜたものをこの sb って 書いてありますがこれはねアンチモンと
(07:29) 呼ばれる呼ばれるね元素の原子ですこの アンチモンはゲルマニウムよりも一番外側 に位置する電子の数が一つ多いです ゲルマニュウムが4つの伝習を持つのに 対してアンチモンは5つの電子を持ちます そんな少ないわけがないんじゃないかと いうね疑問の声の聞こえてきそうですね そうなんですよもちろんトータルでいえば ゲルマニウムは32個も持っています アンチモンは51個も練習を持っています でも一番外側の見える位置に付いている 電子の数は4個だったり午後だったりする んですなまぁきっとそんなこと言われても ねなんかよくわかんないし腑に落ちないし っていう人もね多いでしょうからここはね 寄り道にはなりますが少し説明をして おこうと思います この表ね使って説明しますこれ見たこと あるでしょ これ元素の周期表ですよね高校生の時理科 の授業で出てきました see d 米 boku no 船って ね習いましたね元素を並べた表ですね
(08:35) どこでどういう風に並んでいるのかという と一つには重さの軽い順に並んでいるとも 言えるしねあるいは電子の cars 水素 が一つだけでヘリウムが2つたっけ リチウムが3つだっけっていう風にね電子 が1個ずつ増えていく良い並んでいるとも 言えます ただねここで上のほうになんだか不自然な 空白ができてますね これはなんだって話なんですけれども実は この空白があることで電子の収まり具合 までもここに反映できてるって言うんです ね まあだからこの電子の様子を説明するのに この表使うと都合が良いってことなんです ねごちゃごちゃしゃべっちゃいましたけど ね説明に入ります 原子にはですね電子の入れ物のようなもの があってこれを電子殻って言うんですね でこの電子殻が一つではなくて複数あって 原種はそれを重ね着をするようにして まとっているんです だから服で例えるならば肌着シャツ セーターみたいな感じですね でそれぞれに最大で何個まで電子が
(09:40) くっつけられるかが決まってるんですね 例えば肌着なら最大2つまで シャツならやっ詰まるセーターも8つま こんな風に決まってます だから言ってみればですね水素とヘリウム は肌着しか来てない状態で水素はその肌着 に一つヘリウムは2つ電子をくっつけて 持っているということです そして次の段の子の端っこにいるリチウム ねこれは全部で3つ3個の電子を持つ幻想 なんですけれども肌着には2つまでしか 電子をつけられないのでその上からシャツ を着てそのシャツに残りの一つをつける ことになります そうするとですねほんとは3つ持ってるん だけれども外から見ると一つしか見えない とねこういうことになります 同じようにしてへベリリウムは者ずに2つ ねそれから飛んで飛び越えてですよ b 放送ですねこの3つときて隣の炭素 これはシャツに4つ4個の電子が付きます 見えているのは4個だけですが本当は6個
(10:45) の電子を持っているということになります そしてこの列の最後まで行くと音をここは もうシャツに8子がついていていっぱいに なりました ですので次の段はですねまた重ね着をして 今度はセーターを着ることになります そしてまたナトリウムはその正体に一つ マグネシウムは2つアルミニウムは3つと 来て次のシリコンケースをこれはまた腰痛 の電子が見えているということになって これはすぐ上の炭素と一緒ですね 実際にはシリコン系素は全部で14個も 電子思ってるはずなんですけれども外から は4つしか見えないということです だが同じように隣の林もですねこれはそう ですね電子が5つ外側から見えている元素 ということになります そうしてまた生誕がいっぱいになると次の 弾では今度はジャケット上着を着るわけ ですけれども後でにはなんと内ポケットが 付いています カリウムカールし有無はまず上着の表面の 見えるところに電子がつきますが次の スカンジウムからは内ポケットに収まり
(11:51) ます 内ポケットの電子もですね必要なときには すぐに取り出して使うことができるんです が正内ポケットがいっぱいになって次の ガリウムここからはまた上着の表側に電子 が付くようになるんですけどもそうすると も内ポケットの電子は取り出せなくなり ます ガリウムは上着の表側に3個そして隣の ゲルマニウムはイオンこの電子がつきます だからゲルマニュウムは外からはこの4個 だけが見えることになってこれがさっき 言ってたゲルマニュウムの電子は4個の 意味なんですね そうするとここは全員一番外側に見える 電子が4個の元素ということになります 左隣 これは全員3個右怒鳴るコネは全員高校 ですそしてさっきのアンチモン sb は ここですこの後このグループに入ってます だから外から見える電子の数は5になると いうことになるわけです 納得して頂けましたでしょうか さてゲルマニウムは電子が腰痛アンチモン
(12:56) は電子が5つの意味が分かったところで ゲルマニュウムとアンチも人間ぽく表現 するとですねこんな感じになりますよ アンチモンは午後の電子がそして ゲルマニュウムには4個の電子が見えてい ます この絵では一字ずつしか書いていませんが 本当は大勢ノーガードでゲルマニュウムの 中にハンチ者がぽつんぽつんとしか存在し ていないんですよね 南洲の不純物ですからね そうするとアンチもはですねこの五つある 電子のおかげで目立ちますからね11 よそ者扱いを受けてそのたびに疎外感を 感じています ゲルマニウムの社会に溶け込んです暮らす ためにはですねこの五つある電子をどうに かしないといけません そこでですねゲルマニュウムの中にも傍系 とした奴がいるのでね いましたね そういうゲルマニュウムを見つけると今だ とばかりですね自分の持っている電子の一 つを外してそのゲルマニュウムにくっつけ てしまうんですね でもねくっつけないてしまった
(13:59) ゲルマニウムはここでたまったもんじゃ ないですよ だってね気がつけば何やら冷たい視線に さらされている a みてみてあの人5足よ な人あ 電子が一つ多いのよなんてね余計なお世話 ですよねだいたい語族っていつの時代の 良い方だって話ですからね ゲーム魔乳はもうキョトンとするばかり アンチモンにとってはしめしめといった ところでしょうかね まあそんなゲームマニュ6ですがあるとき ハタと気がつきます あれを手で施工くねねっ同時で周りの様子 がおかしかったはずですよこの電子のせい だったんですね でもねこの余計な電子どう処分したらいい のかサッパリね見当がつきません そこで仕方がないので次にそばを通り がかった人に押し付けてしまうことにし ました おりを組む効果だね一人のゲルマニュウム がやってきますよ ぺちょ えっ何ですか
(15:01) ここでね僕のじゃないんですよ これを皮切りにですねゲルマニュウムの間 でこの厄介な電子これの音なすり合い ただいまーしが始まりますちょっと俯瞰で 見てみましょうかね アンチモンの住む右上のゲルマニウム電子 がもうくっついてますね金ちょうど今自分 が電子を一つ余計に持っていることに気が ついてまさに近くのゲルマニウムに 押し付けようとしているところです これで僕んじゃないんですよね私のでも ないですよ 誰のですか知りませんよね こんな風にしてですね結晶の中でた ライマー新されてしまうんですねそして この電子はですね結局どの原資にも属する ことができなくてこの結晶の中をふらふら とさまようことになります でもこれって 自由電子みたいだと思いませんか そうなんですねこのさまよう電子が自由 電子のごとく振る舞ってこの決勝には電気 が流れるようになるんですね
(16:08) さて次はですね アンチモンの代わりにヒンジ有無を混ぜて みました インジウムはですねさっきのアンチモンと は阪大でゲルマニウムよりも一番外側の 電子が1個少ない幻想です この場合もアンチモンの時と同様に電気は よく流すようになるんですねどういうこと なんでしょうか マネーによってインジウムと ゲルマニュウムもう人間ぽく書いてみまし た 隣人は3つの電子がゲルマニウムは4つの 電子が見えています さてインジウムがゲルマニウムの社会で うまくやっていくためにはやはり天使の数 を4つにしたいわけなんですがこれ何だか 嫌な予感がしませんか そうなんですよボナボケッとしてるとねー そうと近づいて 奪っちゃうんですね これも俯瞰で見てみましょうか はい今度はですね見えてる電子を全部 書き込んでみましただからゲルマニュウム には4個の電子が見えてるんでしたよね マイナスの丸電子を4つたいてあります
(17:12) そしてインジウムは3つだけ と思ったらねもう4つもってますね書いて ありますねこれすでにどっかから取ってき ちゃってますねこれね ここですね ここのゲルマニウムはすでに電子を一つ 取られて3つになっています そうするとですねこのゲルマニウムは 仕方ないので近くにいる別のゲルマニウム からもらっていくよ 持ってきちゃうんですね で取られたゲルマニウムはですねプー ちょっと通ってなる訳ですけどすぐにね 仕方ないなぁなんて言いながらまた別の音 ゲルマニウム彼がとってきちゃうんですね こんな風にしてですねインジウムが混ざっ た決勝では電子の二倍愛が起こります ちょっと待ってくださいよ アンチモンの時みたいに電子が余ってるん だったらねそれが自由電子の代わりをする わけだから電気が流れやすくなるのも説明 できますけどね 今回は電子が足りなくて奪い合いになっ てるんですよねこれじゃあなんでね電気が 流れやすくなるのか説明できないじゃない ですかねぇ
(18:15) でもね横で見方を変えると見方を変えると ねこれがね説明できるようになるんですね 伝習 by あってるって事はこれ裏を 返せば原子が足りない状態を押し付け合っ ているというのと同じですよね つまり音でしとっちゃ床の隙間っていうか 穴のようなものができるじゃないですか その隙はってかなこれをね押し付け合って るって考えることができるとさらにねそむ 隙間とかなというのはデー歯が抜けたあと だからこ+の電荷を帯びることになるって わけですよ だとすると+の電球を帯びた穴ですかそれ を押し付け合っているのと同じだという ことになるって言うんですね そしたらほら 電子とはプラスマイナスが反対になります けれどもこれは正電荷の自由電子のものが できたと香味立てることができてこれなら 電気が流れるようになることを説明でき ますよね じゃあまとめてみましょうか はいまずはねアンチも混ぜた方からいき ましょう
(19:18) アンチモンは一番外側の電子が5つで ゲルマニウムよりも一つ法印でしたね そのために電子が過剰になって互い正氏に されると それがまるで自由電子のようにして電気の 運び手として働くために電気が流れると いうことでした ついでに言っておくとですねこの薄幸 p って意味でキャリーやという言葉もねよく 使いますここで覚えておいてください覚え ておいてください噛んじゃった じゃあ次ねインジウムいきましょうはい インジウムはですね一番外側の電子が3つ でゲーム魔乳無よりも一つ少ない元素です そのために電子が不足して奪い合いになる とこれが見方を変えるとプラスの電荷が 過剰でそれがただいまーしにされている ように見えるということでした でこのプラスの電荷のことを電子が 抜け落ちてプラスに帯電した穴のような ものということで成功と呼ぶんですね でこの成功がやはり自由電子のように電気
(20:24) の運び手として働くために電気が流れる ねっいうことでした ということはですねこれ不純物半導体には 2種類あるとね安珍をアンチモンを混ぜた ときのように電子が電気の運び手キャリア になるタイプとインジウムを混ぜた時の ように成功が運びてキャリアになるタイプ この2つのタイプがあるということになり ますそして電子がキャリアになるタイプの 半導体をは店主は負電荷 ネガティブチャージというのでここでは n 型半導体と呼んで成功がキャリアになる タイプのことを成功は正電荷ポジティブ チャージというので p 型半導体という とそういうことなんですねんme

関連記事一覧

Skip to content