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。
この問題で使うもの
- 真性半導体・n 型半導体・p 型半導体（説明と入口の問題）
- pn 接合ダイオードの整流作用（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（7 技能）
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
不純物の原子の価電子の数がケイ素より多いか少ないかで、電子が余るか不足するかを考える。ダイオードについては、順方向と逆方向でキャリアがどちら向きに動くかを考える。
ヒント 2
ケイ素より価電子が多い原子を加えると電子が余り n 型、少ない原子を加えるとホールができて p 型になる。また、不純物半導体は全体として電気的に中性である。
ヒント 3
アとイは n 型と p 型の対応から誤りとわかる。残りのウ・エ・オのうち、ウは半導体全体の電荷、オは逆方向の電圧を加えたときのキャリアの動く向きに注目して判断する。
答えと解説
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エ
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解説を読む
ケイ素の原子は価電子を 4 個もち、隣りあう 4 個の原子と電子を共有して結晶をつくっている。ここに価電子の数が異なる原子を少量加えると、電子が余ったり不足したりして、電流を運ぶキャリアが生じる。
- ア 誤り。価電子を 5 個もつリンを加えると、結合に使われない電子が 1 個余り、この電子が自由に動けるキャリアとなる。おもなキャリアが負の電荷をもつ電子なので、n 型半導体になる。
- イ 誤り。価電子を 3 個もつホウ素を加えると、結合に必要な電子が 1 個不足し、電子の抜けた穴（ホール、正孔）ができる。おもなキャリアはこのホールであり、p 型半導体になる。
- ウ 誤り。n 型半導体の中の電子の数は、加えたリンの原子核の正の電荷と打ち消しあう数だけであり、半導体全体は電気的に中性である。電子が「余る」とは、結合に使われない電子があるという意味で、全体が帯電しているわけではない。
- エ 正しい。ホールの位置に近くの電子が移ると、もとの電子があった位置が新たなホールになる。これが次々に起こることで、ホールは電子の移動と逆向きに移動し、正の電荷をもつ粒子のようにふるまう。
- オ 誤り。逆方向の電圧（p 型側が低電位、n 型側が高電位）を加えると、p 型のホールは p 型側の電極へ、n 型の電子は n 型側の電極へ引き寄せられ、どちらも接合面から離れていく。接合面付近にはキャリアがほとんどない領域ができ、電流はほとんど流れない。電子とホールが接合面に向かって移動して結びつき、電流が流れ続けるのは、順方向の電圧を加えたときである。
よって、最も適当なものはエである。
別解
ア: 価電子 5 個のリンを加えると余った電子がキャリアになる n 型半導体になる。p 型ではないので誤り。
イ: 価電子 3 個のホウ素を加えると電子が 1 個不足してホール（正孔）ができ、おもなキャリアはホール。「余った電子」は n 型の説明なので誤り。
ウ: n 型半導体でも、不純物原子（原子核）の正電荷と電子の負電荷が打ち消し合っており、全体としては電気的に中性。負に帯電しているわけではないので誤り。
エ: ホールは電子が抜けた場所で、近くの電子が次々にその位置へ移ることでホールが逆向きに移動する。ホールは正の電荷をもつ粒子のようにふるまう。正しい。
オ: 逆方向電圧では、電子とホールが接合面から遠ざかる向きに引かれ、空乏層が広がってほとんど電流は流れない。「結びついて電流が流れ続ける」のは順方向の説明。誤り。
正解はエ。