電流と回路（知識）の問題

ケイ素（シリコン）の結晶に、ごく少量の不純物を加えてつくる半導体（不純物半導体）と、それを用いた pn 接合ダイオードについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、ケイ素の原子は 4 個の価電子をもつ。

• ア　ケイ素の結晶に、価電子を 5 個もつリン（P）をごく少量加えると、p 型半導体になる。
• イ　ケイ素の結晶に、価電子を 3 個もつホウ素（B）をごく少量加えると、結合に使われずに余った電子がおもなキャリアとなる。
• ウ　n 型半導体では、おもなキャリアが負の電荷をもつ電子であるため、電圧を加えていないときも、半導体全体が負に帯電している。
• エ　p 型半導体の中をホールが移動するのは、実際には近くの電子がホールの位置へ次々に移っていくことによるもので、ホールは正の電荷をもつ粒子のようにふるまう。
• オ　pn 接合ダイオードに逆方向の電圧を加えると、電子とホールが接合面に向かって移動して次々に結びつくので、電流が流れ続ける。

半導体とダイオードについて述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。ただし、ダイオードは p 型半導体と n 型半導体を接合した pn 接合ダイオードとする。

• ア　ケイ素（シリコン）の結晶に、価電子を 5 個もつリンなどの原子を不純物としてわずかに加えたものは n 型半導体であり、おもに電子が電荷を運ぶ。
• イ　ケイ素（シリコン）の結晶に、価電子を 3 個もつホウ素などの原子を不純物としてわずかに加えたものは p 型半導体であり、おもに電子が電荷を運ぶ。
• ウ　半導体中のホール（正孔）は、電子が抜けた跡であり、正の電荷をもつ粒子のようにふるまう。
• エ　ダイオードの p 型側の電位が n 型側の電位より高くなるように電圧を加えると、ダイオードに電流が流れやすい。
• オ　ダイオードの n 型側の電位が p 型側の電位より高くなるように電圧を加えると、接合面でホールと電子が次々に結合し、大きな電流が流れる。
• カ　不純物を含まない真性半導体の抵抗率は、温度が高くなるほど大きくなる。

半導体について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。

p 型半導体と n 型半導体を接合した pn 接合ダイオードに、n 型側の電位が p 型側の電位より高くなるように電池をつなぐ。このとき、p 型半導体中のホール（正孔）と n 型半導体中の自由電子は、どちらも接合面から（ a ）向きに移動するので、ダイオードには電流がほとんど流れない。
また、不純物を含まないケイ素などの真性半導体では、温度を上げると、その抵抗率は（ b ）。

導体の抵抗値は、長さ $L$、断面積 $S$、抵抗率 $\rho$ を用いて $R=\rho \frac{L}{S}$ と表される。抵抗率と、その温度による変化について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　同じ材質の導線では、抵抗率は導線の長さに比例し、断面積に反比例する。
• イ　金属の抵抗率は温度が上がると小さくなる。これは、温度が上がると金属中の自由電子の数が大きく増えるためである。
• ウ　金属の抵抗率は温度が上がると大きくなる。これは、温度が上がると陽イオンの熱振動が激しくなり、自由電子の移動が妨げられやすくなるためである。
• エ　ケイ素やゲルマニウムなどの半導体の抵抗率は、金属と同じように、温度が上がると大きくなる。
• オ　抵抗率の単位は、抵抗の単位 Ω を長さの単位 m で割った Ω/m である。

電池の起電力・内部抵抗・端子電圧と、キルヒホッフの法則について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、電池の起電力と内部抵抗は一定であるとする。

• ア　起電力 $E$、内部抵抗 $r$ の電池に抵抗をつなぎ、電池から外部の回路へ電流 $I$ を取り出しているとき、電池の端子電圧は $E+rI$ である。
• イ　キルヒホッフの第 1 法則は、回路中の任意の閉じた経路について、起電力の和と電圧降下の和が等しいことを表している。
• ウ　キルヒホッフの第 1 法則は、回路の分岐点に流れこむ電流の和と流れ出る電流の和が等しいことを表しており、電気量が保存されることにもとづいている。
• エ　内部抵抗のある電池に抵抗をつないだとき、電池から取り出す電流が大きいほど、電池の端子電圧は大きくなる。
• オ　内部抵抗のある電池に何もつながず電流が流れていないとき、電池の端子電圧は 0 になる。