問題
半導体に関する記述として、誤っているのはどれか？
（１） シリコン（Si）やゲルマニウム（Ge）の真性半導体においては、キャリアの電子と正孔の数は同じである。
（２） 真性半導体に微量のⅢ族又はⅤ族の元素を不純物として加えた半導体を不純物半導体といい、電気伝導度が真性半導体に比べて大きくなる。
（３） シリコン（Si）やゲルマニウム（Ge）の真性半導体にⅤ族の元素を不純物として微量だけ加えたものをｐ形半導体という。
（４） ｎ形半導体の少数キャリアは正孔である。
（５） 半導体の電気伝導度は温度が下がると小さくなる。
基礎知識
まず、Ⅲ族、Ⅳ族、Ⅴ族とは、からですね。
最近の元素周期表だそうです。
これで習った人は、ごめんなさい。
これが古い元素周期表です。
古い周期表を見れば分かり易いと思いますが、Ⅲ族、Ⅳ族、Ⅴ族とは、原子の一番外側の電子殻の電子の数のことです。
Ⅲ族とは、原子の一番外側の電子殻に電子が３個のグループのことです。
同様に、Ⅳ族とは、原子の一番外側の電子殻に電子が４個のグループのことです。
また、Ⅴ測とは、原子の一番外側の電子殻に電子が５個のグループのことです。
そして、この一番外側の電子殻に８個の電子で満たされれば、安定します。
解答
正解は「（３）が誤り」です。
（１）
この図は、Ⅳと書かれた丸が原子核で、赤丸が一番外側の電子殻の電子です。
シリコン（Ｓｉ）や ゲルマニウム（Ｇｅ）のⅣ族だけの真性半導体においては、各々の原子の周りは８個の電子で安定しています。
それでも、電圧（力）を掛けると、たまに電子が飛び出して動きます。
飛び出した電子がキャリアの電子になり、
元有った電子の空席がキャリアの正孔となります。
電子が一つ飛び出せば、キャリアの電子と正孔が各々一つできることになります。
（２）
真性半導体にⅢ族又はⅤ族の不純物を加えた半導体を、不純物半導体と言うそうです。
上の図について、少し説明をしておきます。
Ⅲ族の不純物を少量加えると、青丸の所に正孔ができます。
正孔は、自分の位置に電子を入れて電子殻を８個の電子にして落ち着こうとします。
そのために、適当な所から電子を引き抜き自分の位置に据えようとします。
しかし、元がⅢ族の原子ですから保持力がありません。
電子はすぐに移動して行ってしまいます。
するとまた電子を引っ張ってきて、自分の位置に据えようとする、の繰り返しです。
ここに電圧が加わると、電圧の力の方向に電子が流れることになります。
また、Ⅴ族の不純物を加えると、電子が一つ余ります。
これが自由電子となり、移動します。
この電子は、できれば電子殻に入り込んで落ち着きたいので、
適当な電子を追い出して、その席に自分が収まります。
追い出された自由電子は、また誰かを追い出します。
ここに電圧が加わると、電圧の力の方向に電子が流れることになります。
よって、Ⅲ族の不純物を加えると、多数キャリアとして正孔ができます。
また、Ⅴ族の不純物を加えると、多数キャリアとして電子ができます。
多数キャリアができると、電子の移動の取っ掛かりができるので、電気は流れやすくなります。
すなわち、電気伝導度が大きくなります。
（３）
真性半導体にⅤ族の不純物を加えると、多数キャリアは電子になります。
電子は̠⊖なので、ポジティブではなく、ネガティブです。
よって、ｐ形半導体ではなく、ｎ形半導体になります。
（４）
（３）の項で説明したように、ｎ形半導体の多数キャリアは電子です。
多数キャリアが電子なら、少数キャリアは反対の正孔です。
ところで、少数キャリアって何？そんなものが存在するの？
と、疑問に思う人もいると思います。
今までの説明文でも書いていますが、半導体の電子はかなり不安定で、出たり入ったりしています。
そのためｎ形半導体でも、いたる所で電子が勝手に飛び出して正孔が生まれ、そこに電子が飛び込んで正孔が消滅しているのです。
同じことがｐ形半導体にも言えます。
（５）
この問題は、よく出てきています。
導体である金属には、超電導と言うのがありますね、
温度を下げていくと抵抗が少なくなり、最終的に抵抗が「０」になる。
それは、導体では元々沢山の電子が動き回っています。
電子は電圧により、電流として流れますが、綺麗にマイナスからプラスの方向だけに流れているわけではないのです。
右や左、上や下やと方々の方向に動きながら、全体として電圧の方向に流れています。
しかし、温度が上がると電子はさらに活発に動き出し、電子同士がぶつかって流れが阻害されます。
すなわち、導体は、温度と抵抗が比例する。
しかし、半導体の電子は導体の電子に比べてはるかに静かにしています。
半導体の電子は、基本的には電子殻に安定していたいのです。
しかし、電圧の力に押されて、正孔に呼び寄せられて、自由電子に押し出されて等の理由で動き、電流として流れます。
ここに熱が加わり、温度が上昇すると、半導体の電子も活発に動くようになります。
すなわち、電流が流れるようになり、抵抗は小さくなります。
半導体においては、温度が上昇すると抵抗は小さくなり、反比例します。
余談ですが、半導体を使ったＣＰＵの温度が上がり過ぎると熱暴走が起こります。
これは、ＣＰＵに使われている半導体に電流がたくさん流れ、制御が効かなくなったからです。
まとめ
半導体の基礎事項に関する問題です。
Ⅲ族、Ⅳ族、Ⅴ族と言ったり、Ⅲ価、Ⅳ価、Ⅴ価と言ったりします。
同じ意味です。外側の電子の数のことです。
上の図はイメージ図ですが、よく見ておいてください。
Ⅲ族の不純物には、ホウ酸（B）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等があります。
Ⅳ族には、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等が使われています。
Ⅴ族では、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等が使われています。
また、Ⅲ族の元素をアクセプタと言います。
アクセプタとは、「引き受けるの名詞形」ぐらいに考えてください。
電子を引く受けますよ、ということです。
Ⅴ族の元素をドナーと言います。
医学界でのドナーは、臓器提供者のことですよね。
半導体界では、電子提供者のことです。
（Ⅲ価＝アクセプタ＝ｐ形半導体）
（Ⅴ価＝ドナー＝ｎ形半導体）
この組み合わせは、覚えておきましょう。
雑談（読まなくてよいもの）
ｐ形半導体やｎ形半導体には、
真性半導体にⅢ価又はⅤ価の不純物を少量加える。と書かれている。
では、この少量とはどれくらいか？
調べると、一万分の一くらいだろうと出てきた。
０．０１％くらいだそうだ。
これって、どれくらいなのか？参考になるものは？
そこで思い出したのが、次の一文。
「樽いっぱいの汚水にスプーン一杯のワインを入れても樽いっぱいの汚水である。しかし、樽いっぱいのワインにスプーン一杯の汚水を入れれば、それは樽いっぱいの汚水となる。」
こんな感じの文章だったと思う。
そう、ショウペンハウアーのエントロピーの法則、と言われている文章だ。
「樽いっぱいのワイン」と言っているので、樽はワインの樽と言うことになる。
ワインの樽の、一般的な大きさは、ボルドーバレルと言われる、２２５リットルだそうだ。
この樽の体積は、直径７０ｃｍ、高さ９５ｃｍぐらい。
次に、スプーン一杯の量は？
その前に、スプーンの種類は、ティースプーン？カレースプーン？
ワインが出てくるときに、ティースプーンは似合わないだろう。
ということで、スプーンはカレースプーンだと仮定する。
カレースプーン一杯の量は、大さじ一杯と同じくらいだそうだ。
大さじ一杯は、１５ミリリットルだ。
これで、樽とスプーンの大きさを決めたので、後は計算するだけ。
$\cfrac{15}{225000}\times100=0.006667$ となる。
０．００７％ぐらい。０．０１％に少し足りない。
結果、樽いっぱいの真性半導体にスプーン１杯半の不純物を入れている。
ということになった。
コメント