真性半導体と、ケイ素に価電子 5 個の原子（リンなど）を加えた n 型（おもに電子が電荷を運ぶ）、価電子 3 個の原子（ホウ素など）を加えた p 型（おもにホールが電荷を運ぶ）の違いと、ホール（正孔）が正の電荷のようにふるまうことを判定できる
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ケイ素 (Si) のように、電気の通しやすさが金属と絶縁体の中間にある物質を半導体といいます。この技能では、3 種類の半導体を区別します。不純物を加えていない真性半導体、価電子 5 個の原子を加えた n 型半導体、価電子 3 個の原子を加えた p 型半導体です。それぞれで何が電荷を運ぶか (キャリア) と、それがどちら向きに動くかを判定できるようになります。ダイオードやトランジスタのしくみを学ぶときの土台になる知識です。
ケイ素原子は価電子を 4 個もちます。となりの 4 個の原子と電子を 1 個ずつ出し合って結びついています (共有結合)。純粋なケイ素では価電子がすべて結合に使われているので、低温では自由に動ける電子がほとんどありません。温度が上がったり光が当たったりすると、一部の電子が結合から外れて自由に動けるようになります。電子が抜けた跡には、電子が 1 個足りない穴が残ります。これをホール (正孔) といいます。不純物を加えていないこの状態の半導体が真性半導体です。自由電子とホールは同じ数だけでき、両方が電荷を運びます。温度が高いほどキャリアが増えるので、電流が流れやすくなります (抵抗率が小さくなります)。
ケイ素にリン (P) のような価電子 5 個の原子を少し混ぜると、結合に使われるのは 4 個で、電子が 1 個余ります。この電子は自由電子として動けるので、おもに負の電荷をもつ電子が電荷を運びます。これが n 型です (negative の n)。一方、ホウ素 (B) のような価電子 3 個の原子を混ぜると、結合に電子が 1 個足りず、ホールができます。これが p 型です (positive の p)。
ホールが正の電荷のようにふるまう理由は次のとおりです。電場をかけると、ホールのとなりの電子は電場と逆向きに力を受けます (前提の技能)。その電子はホールに移ってホールを埋め、電子が元いた場所に新しいホールができます。これをくり返すと、ホールは電子と逆向き、つまり電場の向きに移っていきます。電子が 1 個足りない場所は周りより正に見えるので、ホールは正の電荷が電場の向きに動くのと同じ働きをします。したがって、ホールの動く向きは電流の向きと同じです。なお、加えたリンやホウ素の原子はもともと陽子と電子の数が等しい中性の原子です。そのため、電子が余っても足りなくても、n 型も p 型も結晶全体としては電気的に中性です。
加えた原子の価電子の数を確かめる。何も加えていなければ真性半導体、価電子 5 個 (リン P・ヒ素 As など) なら n 型、価電子 3 個 (ホウ素 B・アルミニウム Al・ガリウム Ga など) なら p 型。
ケイ素の 4 本の結合と比べて、電子が余るか (n 型)、足りないか (p 型) を考える。
おもなキャリアを決める。n 型は自由電子 (負)、p 型はホール (正のようにふるまう)、真性半導体は同じ数の自由電子とホール。
動く向きを決める。自由電子は電場と逆向きに、ホールは電場の向き (電流の向き) に動く。
全体の電荷を確かめる。n 型も p 型も、結晶全体としては電気的に中性である。
ケイ素の結晶にホウ素を微量加えた半導体について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア n 型半導体であり、おもに自由電子が電荷を運ぶ。
イ p 型半導体であり、おもにホールが電荷を運ぶ。ホールは電場の向きに移動する。
ウ p 型半導体であり、結晶全体が正に帯電している。
エ p 型半導体であり、おもにホールが電荷を運ぶ。ホールは電場と逆向きに移動する。
手順 1: ホウ素の価電子は 3 個なので、この半導体は p 型である。よって、n 型としているアは誤り。
手順 2: ケイ素の 4 本の結合に対して電子が 1 個足りないので、ホールができる。
手順 3: おもなキャリアはホールである。
手順 4: 電場をかけると、となりの電子が電場と逆向きに動いてホールを埋める。その結果、ホールは電場の向きに移動する。よって、エは誤りでイは正しい。
手順 5: 加えたホウ素原子はもともと中性の原子なので、結晶全体は電気的に中性である。よって、ウは誤り。
以上より、正しいものはイ。
答え: イ
n 型は全体が負に、p 型は全体が正に帯電している、としてしまう誤り。正しくは、n 型・p 型はおもなキャリアの種類を表すだけで、結晶全体は電気的に中性 (全電気量 ) である。
ホールも電子と同じく電場と逆向きに動く、としてしまう誤り。正しくは、電子が電場と逆向きに移ってホールを埋めるので、ホールは電場の向き (電流の向き) に動く。
価電子 5 個のリンを加えると p 型、価電子 3 個のホウ素を加えると n 型になる、と n 型と p 型の対応を逆に覚えてしまう誤り。正しくは、価電子 5 個なら電子が余るので n 型 (おもに負の電子が運ぶ)、価電子 3 個なら電子が足りずホールができるので p 型 (おもに正のようにふるまうホールが運ぶ) である。
真性半導体ではキャリアが自由電子だけである、としてしまう誤り。正しくは、電子が結合から外れるたびにホールが 1 個できる。そのため自由電子とホールは同じ数だけあり、両方が電荷を運ぶ。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
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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。
半導体と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、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。
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。
ケイ素（シリコン）の原子は価電子を 4 個もち、結晶の中では隣り合う 4 個の原子と価電子を出し合って共有結合している。この結晶に、価電子を 3 個しかもたないホウ素などの原子を不純物としてごく少量加えると、ホウ素原子のまわりでは共有結合をつくるための電子が 1 個不足した箇所ができる。
この箇所には隣の共有結合の電子が移り込むことができ、電子が移ったあとには新たに電子の不足した箇所ができる。結晶に電圧を加えると、これがくり返されて電子の不足した箇所が電子とは逆の向きに次々と移っていくので、この箇所は正の電荷をもった粒子のようにふるまい、電流を運ぶ役割をする。
このように、半導体の結晶中で電子が不足していて、正の電荷をもつ粒子のようにふるまう箇所を何というか。