半導体は私たちの社会に大きな影響を与えてきました。半導体は、トランジスタだけでなくマイクロプロセッサチップの中心にもあります。コンピュータ化されているものや電波を使用しているものはすべて、半導体に依存しています。
今日、ほとんどの半導体チップとトランジスタはシリコンで作られています。「シリコンバレー」や「シリコンエコノミー」などの表現を聞いたことがあるかもしれませんが、それが理由です。シリコンはあらゆる電子機器の心臓部です。
ダイオードは、できるだけ簡単な半導体装置であり、あなたは半導体がどのように機能するかを理解したい場合はそのための優れた開始点です。この記事では、半導体とは何か、ドーピングがどのように機能するか、そして半導体を使用してダイオードを作成する方法を学びます。しかし、最初に、シリコンを詳しく見てみましょう。
シリコンは非常に一般的な元素です。たとえば、砂や石英の主要元素です。周期表で「シリコン」を調べると、アルミニウムの隣、炭素の下、ゲルマニウムの上にあることがわかります。
炭素、シリコン、ゲルマニウム（シリコンと同様にゲルマニウムも半導体です）は、電子構造に独自の特性を持っています。それぞれの外側の軌道に4つの電子があります。これは彼らが素晴らしい結晶を形成することを可能にします。4つの電子は、隣接する4つの原子と完全な共有結合を形成し、格子を作成します。炭素では、結晶形はダイヤモンドとして知られています。シリコンでは、結晶形は銀色の金属のように見える物質です。
金属は通常、原子間を簡単に移動できる「自由電子」を持っており、電気には電子の流れが含まれるため、電気の優れた伝導体になる傾向があります。シリコン結晶は金属に見えますが、実際には金属ではありません。シリコン結晶のすべての外部電子は完全な共有結合に関与しているため、動き回ることはできません。純粋なシリコン結晶はほぼ絶縁体であり、電気はほとんど流れません。
しかし、ドーピングと呼ばれるプロセスを通じて、これらすべてを変更することができます。
シリコンのドーピング
シリコンの振る舞いを変えて、ドープすることで導体に変えることができます。ドーピングでは、少量の不純物をシリコン結晶に混合します。
不純物には次の2種類があります。
- N型-N型ドーピングでは、リンまたはヒ素がシリコンに少量添加されます。リンとヒ素にはそれぞれ5つの外部電子があるため、シリコン格子に入ると位置がずれます。 5番目の電子は結合するものがないため、自由に動き回ることができます。シリコンに電流を流すのに十分な自由電子を生成するのに必要な不純物はごくわずかです。 N型シリコンは優れた導体です。電子は負の電荷を持っているため、N型と呼ばれています。
- Pタイプ-Pタイプのドーピングでは、ホウ素またはガリウムがドーパントです。ホウ素とガリウムにはそれぞれ3つの外部電子しかありません。シリコン格子に混合されると、それらは、シリコン電子が結合するものが何もない格子に「穴」を形成します。電子が存在しないと、正電荷の効果が生じるため、Pタイプと呼ばれます。穴は電流を流すことができます。穴は隣人からの電子を喜んで受け入れ、空間上で穴を動かします。P型シリコンは優れた導体です。
微量のN型またはP型のドーピングにより、シリコン結晶が優れた絶縁体から実行可能な（ただし優れていない）導体に変わります。そのため、「半導体」という名前が付けられています。
N型とP型のシリコンはそれ自体ではそれほど驚くべきものではありません。しかし、それらを組み合わせると、ジャンクションで非常に興味深い動作が得られます。それがダイオードで起こることです。
ダイオードは、できるだけ簡単な半導体装置です。ダイオードは電流を一方向に流しますが、他の方向には流しません。スタジアムや地下鉄の駅で、人が一方向にしか通れない改札口を見たことがあるかもしれません。ダイオードは、電子の一方向の回転式改札口です。
この図に示すようにN型とP型のシリコンを組み合わせると、ダイオードに独自の特性を与える非常に興味深い現象が得られます。
N型シリコン自体が導体であり、P型シリコン自体も導体ですが、図に示す組み合わせでは電気を通しません。 N型シリコンの負の電子は、バッテリーの正の端子に引き付けられます。 P型シリコンの正の穴は、バッテリーの負の端子に引き付けられます。正孔と電子がそれぞれ間違った方向に移動しているため、接合部に電流は流れません。
バッテリーを裏返すと、ダイオードは電気をうまく伝導します。N型シリコンの自由電子は、バッテリーの負の端子によって反発されます。P型シリコンの穴は正端子によってはじかれます。N型シリコンとP型シリコンの接合部で、正孔と自由電子が出会う。電子が穴を埋めます。それらの正孔と自由電子は存在しなくなり、新しい正孔と電子が出現してそれらの場所を取ります。その結果、接合部に電流が流れます。
次のセクションでは、ダイオードとトランジスタの用途を見ていきます。
ダイオードとトランジスタ
電流を別の方向に流しながら、ある方向の電流を遮断するデバイスは、ダイオードと呼ばれます。ダイオードはさまざまな方法で使用できます。たとえば、電池を使用するデバイスには、電池を逆向きに挿入した場合にデバイスを保護するダイオードが含まれていることがよくあります。ダイオードは、逆にした場合に電流がバッテリーから出るのをブロックするだけです。これにより、デバイス内の敏感な電子機器が保護されます。
このグラフに示すように、半導体ダイオードの動作は完全ではありません。
ときに逆バイアスされた、理想的なダイオードは、現在のすべてをブロックします。実際のダイオードはおそらく10マイクロアンペアを通過させます-それほど多くはありませんが、それでも完璧ではありません。また、十分な逆電圧（V）を印加すると、接合部が破壊され、電流が流れます。通常、ブレークダウン電圧は回路がこれまでに見たものよりもはるかに高い電圧であるため、関係ありません。
順方向にバイアスされている場合、ダイオードを動作させるために必要な少量の電圧があります。シリコンでは、この電圧は約0.7ボルトです。この電圧は、接合部で正孔-電子結合プロセスを開始するために必要です。
ダイオードに関連するもう1つの記念碑的な技術はトランジスタです。トランジスタとダイオードには多くの共通点があります。
トランジスタ
トランジスタを使用して作成された三層ではなく、ダイオードで使用される2つの層を。NPNまたはPNPサンドイッチのいずれかを作成できます。トランジスタは、スイッチまたは増幅器として機能できます。
トランジスタは、2つのダイオードが背中合わせになっているように見えます。背中合わせのダイオードが電流を双方向でブロックするため、トランジスタに電流が流れることはないと想像できます。そして、これは本当です。ただし、サンドイッチの中央層に小さな電流を流すと、サンドイッチ全体にはるかに大きな電流が流れる可能性があります。これにより、トランジスタにスイッチング動作が与えられます。小さな電流は大きな電流のオンとオフを切り替えることができます。
シリコンチップは、トランジスタの数千を保持することができるシリコン片です。トランジスタは、スイッチとして機能を使用すると、作成することができ、ブールゲートを、ブールゲートであなたが作成できるマイクロプロセッサチップを。
シリコンからドープされたシリコン、トランジスタ、チップへの自然な進歩が、マイクロプロセッサやその他の電子デバイスを今日の社会で非常に安価でユビキタスにした理由です。基本的な原則は驚くほど単純です。奇跡は、今日、数千万のトランジスタを単一のチップ上に安価に形成できるようになるまで、これらの原理を絶えず改良することです。
半導体、ダイオード、チップなどの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2001年4月25日
