電子技術・電子回路

１１００　物質には電気を通しやすい物質と通しにくい物質とがある

　物質はその電気的性質から、導体・半導体・絶縁体に分けられる。

・導体(conductor)：銀・銅などの金属は抵抗率が小さく電気をよく通す物質

・絶縁体(insulator)：ガラス・ゴムなどのように抵抗率が大きく、電気を通しにくい物質

・半導体(semiconductor)：抵抗率が導体と絶縁体の中間の物質

半導体とは・・・中途半端なだけ？？・・・

１１０１　半導体とは

　電気の通しやすさで言えば、導体と絶縁体の中間・・・使い道は無さそうですが・・・

ある操作やエネルギーを加えることにより、電気的な特性に大きな特徴が生じる。

　代表的な物質としては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)がある。

・・・まず、特徴を見てみると・・・

１１０２　半導体の性質

　・温度が高くなると抵抗率が減少する（負の温度係数）

　・不純物の注入により導電率が大きく変化する

　・電気伝導は「電子」・「正孔」で行われる

・・・分からない用語が・・・そこで、「物質とは何か」から考えてみると

１１０３　物質

　すべての物質は原子から成る。

　原子は、電気的にプラスの性質を有する原子核と同等でマイナスの電気的エネルギーを有する電子で構成される（→図）。

１１０４　半導体を大きく分類すると・・・

　・真性半導体：極めて純度の高い半導体。単一原子が価電子（最外殻電子）を共有することで単一結晶を構成している。このような半導体（シリコン、ゲルマニウム）を真性半導体という。正孔と自由電子が同じ数だけ存在する。

　・不純物半導体：真性半導体に極めて純度の高い不純物を加えたもの。

１１０５　ｎ形半導体

　真性半導体に価電子が５個の元素（ヒ素As、リンP、アンチモンSb）を不純物として供与することで得られる。供与する不純物をドナー(donor)という。

donor：供与体

１１０６　ｐ形半導体

　真性半導に価電子が３個の元素（ホウ素B、ガリウムGa、インジウムIn）を不純物として注入することで得られる。注入する不純物をアクセプタ(acceptor)という。

accept：受け入れる

１１０７　多数キャリア・少数キャリア

　・ｎ形半導体の多数キャリアは自由電子。少数キャリアは正孔。

　・ｐ形半導体の多数キャリアは正孔。少数キャリアは自由電子。

１１０８　半導体を流れる電流

　① 電界の向きに正孔・自由電子が移動する。これをドリフト電流という。

　② キャリアの濃度差による、濃度の濃いとことから低い所へと拡散現象が起こる。これを拡散電流という。

１１０９　共有結合

　SiやGeの原子は互いに価電子を共有しあうように規則正しく並ぶ、共有結合になっている。

１１１０　自由電子

　原子核周辺の電子は原子核と強く結びついている。しかし、価電子（最外殻電子）は外部からのエネルギーによって、原子核との結びつきから容易に離脱し、原子間を自由に移動できるようになる。これを自由電子という。

１１１１　正孔（ホール）

　共有結合の価電子が抜けることによって、正の電荷がその場に留まることになる。これを正孔（ホール）という。

　正孔は自由電子を引き寄せる。引き寄せられた正孔の元の場所には新たに別の正孔が生じる。

１１１２　キャリア(carrier)

　自由電子と正孔の移動はそれぞれマイナスの電荷とプラスの電荷の運び手となっている。これをキャリアという

１１１３　キャリアの発生

　光の照射、熱、磁界などのエネルギーを加えることによってキャリアが発生する。

１１１４　ｐｎ接合

　４価のシリコン結晶にアクセプタとして３価のホウ素を、ドナーとして５価のヒ素を注入することで、結晶の一部にｐ型の領域とｎ形の領域とを作ることができる。

　ｐ形とｎ形の領域が接する構造をｐｎ接合という。

１１１５　空乏層

　ｐｎ接合面は

１２０0　ダイオード

　ダイオードとは　：　電流を一方向にのみ流す性質の電子素子

１２０１　構造と図記号

１２０２　ダイオードの動作

（１）順方向電圧を印加した場合

（２）逆方法電圧を印加した場合

１２０３　ダイオードの特性

・順方向

　　シリコンでは0.6Vを超えると電流が流れ始める

・逆方向

　　ほとんど電流は流れない

　　　・電圧を高くしていくと、ある値で、急激に流れ始める→降伏現象

　　　・この時の電圧を、降伏電圧(breakdown voltage)という

１３００　トランジスタ

　トランジスタとは何か？　構造や働き、特性、種類、定格について考える

　トランジスタとは　：　半導体のキャリアの移動を利用して出力側の電流をコントロールする電流制御形の電子素子である。

１３０１　トランジスタの構造・図記号

１３０３　トランジスタの動作

（１）電源電圧VCEだけを加えた場合

　空乏層が広がり、電流の流れは無い

　（２）電源電圧VCEとVBEを加えた場合

　・エミッタｰベース間の空乏層は消滅

　・エミッタ中の電子はベースを経由してコレクタ側に移動→コレクタ電流

１３０４　スイッチング作用

・OFF状態：ベース電流（入力）が流れていないとき、コレクタ電流（出力）は流れない。

・ON状態：ベース電流（入力）を適切に流すと、コレクタ電流（出力）は流れる。

１３０５　直流電流増幅率 hFE

・ベース電流(IB)を微調整することで、コレクタ電流(IC)をコントロールすることができる。

    hFE = IC/IB

１４００　電界効果トランジスタFET

　FETとは何か？　構造や働き、特性、種類、定格について考える。

トランジスタが電流制御の電子素子であったのに対し、入力側の電圧によって出力電流をコントロールする電圧制御の電子素子

１４０１　接合形FET

（１）構造と図記号

（２）動作