Semiconductor - Semiconductor

Japanese: 半導体 - はんどうたい（英語表記）semiconductor

A material with a resistivity between that of a metal and that of an insulator at room temperature (10 ^-3 to 10 ¹⁰ Ω·cm). At extremely low temperatures, this material exhibits an infinite resistivity close to that of an insulator, but the resistivity drops rapidly as the temperature rises. This is one of the characteristics of semiconductors, as opposed to the resistivity of metals, which increases with temperature. In addition, resistivity can change significantly depending on external factors such as the addition of impurities or exposure to light. Representative semiconductors include elemental silicon, germanium, and selenium, metal oxides such as zinc oxide, lead oxide, and copper oxide, intermetallic compounds such as gallium arsenide, gallium phosphide, indium antimony, silicon nitride, and silicon carbide, sulfides such as cadmium sulfide, telluride such as cadmium telluride, and organic compounds such as anthracene.

[Masatoshi Mitaka]

history

The discovery of phenomena caused by semiconductors began at the beginning of the 19th century. In 1839, M. Faraday discovered that the resistivity of silver sulfide decreases with increasing temperature, the opposite of that of metals. In the same year, Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) discovered the photovoltaic effect, in which a voltage is generated by shining light on the interface between a material and an electrolyte. In 1873, Willoughby Smith (1828-1891) discovered the photoconductive effect, in which the electrical conductivity of selenium changes when light is shone on it. A year later, K. F. Brown discovered that galena has a rectifying effect when a metal wire is in contact with it, becoming the forerunner of the mineral detector. In the same year, A. Schuster discovered that rectifying effect also occurs at the contact surface between copper oxide and copper, laying the groundwork for the prototype cuprous oxide rectifier created by Lars Olai Grondahl (1880-1968) in 1920. In 1876, Charles Edgar Fritts (1838-1905) discovered the rectification effect of selenium, and in 1883 he announced a practical surface-contact selenium rectifier. Thus, by the beginning of the 20th century, many semiconductor elements had appeared, but their operation had not yet been clearly understood. In 1926, E. Schrödinger published the wave equation, which was used to elucidate one phenomenon after another within semiconductors. At the same time, semiconductor materials close to the ideal were also created, and finally, in 1947, J. Bardeen and W. H. Brattain discovered the point-contact transistor (the first transistor, no longer in use), followed by W. B. Shockley's publication of the pn junction theory in 1948, ushering in the full-fledged era of semiconductors.

[Masatoshi Mitaka]

Semiconductor Properties

The properties of semiconductors are determined by their crystal structure and the state of chemical bonds. Elemental semiconductors such as silicon and germanium belong to Group IV of the periodic table, and form crystals with the same structure as diamond. This crystal structure is called the diamond structure, with each atom located at the vertex of a regular tetrahedron. Each atom bonds to the neighboring atom by sharing one of the four outermost electrons (called a covalent bond). In Group III to V intermetallic compounds such as gallium arsenide and gallium phosphide, Group III and Group V atoms alternately form covalent bonds to form crystals with a structure similar to that of elemental semiconductors. In this structure, adjacent atoms are heteroatoms, and the structure is called zinc blende type. Cadmium telluride is a zinc blende type, but cadmium sulfide shows a structure called wurtzite type. In addition, there are a wide variety of lead oxides and sulfides, such as lead sulfide and lead telluride, which have a rock salt crystal structure, and many of these oxides and sulfides are difficult to purify and single crystals are difficult to obtain.

Atoms, which make up matter, are made up of a nucleus of protons and neutrons, and electrons surrounding it. The atomic number Z represents the number of protons, and the number of electrons is equal to Z. The behavior of these electrons must follow the laws of quantum mechanics and satisfy Schrödinger's wave equation. In other words, electrons revolving around the nucleus can only choose orbits with certain energy levels, and only a certain number of electrons can be in an orbit with the same energy level. When the principal quantum number n , which represents the quantum state, is 1, there are two electrons, when it is 2, there are eight electrons, when it is 3, there are 18 electrons, and so on. However, when atoms are brought close to each other to form a crystal, one atom in the crystal is influenced by the other atoms in the whole crystal, and the energy level changes. As the atoms come close to each other, the energy levels split, and when they come close enough to form a crystal, they become an energy band, a collection of slightly different energy levels. The existence of electrons is prohibited between these two bands, so they are called the forbidden band. When there are levels not occupied by electrons in the energy band above the forbidden band, electrons can move between atoms, so this energy band is called the conduction band, and the energy band below the forbidden band is called the valence band. The energy width of the forbidden band varies depending on the material; when there are no electrons in the conduction band and the forbidden band width is large, the material is an insulator, and when the forbidden band width is small, the material is a semiconductor. Also, when there are enough electrons and vacant levels in the conduction band, or when the conduction band and valence band overlap and there is no forbidden band, the material is a metal ( Figure A ).

When the temperature is sufficiently lower than room temperature, even in semiconductors with a small band gap, electrons in the conduction band cannot jump over the band gap and rise to the conduction band, and since there are no electrons in the conduction band, electrical conduction does not occur. Therefore, the semiconductor becomes an insulator. However, at room temperature, some of the valence band electrons rise to the conduction band, leaving vacant levels in the valence band. Both the electrons in the conduction band and the vacant levels in the valence band (called holes) contribute to electrical conduction, so the semiconductor becomes conductive. The higher the temperature, the more electrons that rise to the conduction band, and the better the conductivity of the semiconductor. Once the type of semiconductor is determined, the number of such electrons and holes can be calculated from the Fermi distribution function. Note that in a semiconductor, the electrons and holes that contribute to electrical conduction are called carriers or charge carriers.

[Masatoshi Mitaka]

N-type and P-type

The above properties of semiconductors apply to elemental semiconductors without impurities, and to compound semiconductors that are close to the ideal without any deviation from the stoichiometric composition or defects (called intrinsic semiconductors). In elemental semiconductors and some compound semiconductors, adding certain impurities can create new levels in the conduction band or the forbidden band near the valence band. The level near the conduction band is called the donor level, and electrons in the donor level can rise to the conduction band with a small amount of energy, increasing the conductivity of the electrons. This is called an n-type semiconductor. The level near the valence band is called the acceptor level, and electrons in the valence band rise to the acceptor level, generating holes in the valence band, which increases the conductivity. This is called a p-type semiconductor. Furthermore, in compound semiconductors with strong ionic properties, new levels are created due to an excess or deficiency of metal ions or defects, and when there is an excess of metal ions, the semiconductor becomes an n-type semiconductor, and when there is a shortage of metal ions, the semiconductor becomes a p-type semiconductor ( Figure B ).

[Masatoshi Mitaka]

pn junction

When an n-type and a p-type region are connected in the same semiconductor single crystal, the area where the two regions meet is called a pn junction. The pn junction is a basic structure that plays an important role in diodes, transistors, integrated circuits, etc. Since the pn junction is in the same single crystal, there is no particular difference in appearance, but the energy band structure near the junction is in thermal equilibrium and an internal electric field is generated. In the p-type region, the hole density is higher than in the n-type region, so some of the holes move by diffusion and a p-type region (called a depletion layer) where there are almost no holes is created. Similarly, a depletion layer where there are almost no electrons is created in part of the n-type region, and an internal electric field is generated here. The internal electric field acts to prevent the diffusion of holes and electrons, and the equilibrium state is reached. If an external voltage is applied in the direction that makes the p-type region negative, the internal electric field becomes even stronger, so diffusion is suppressed and no current flows, but if a voltage is applied in the opposite direction, the internal electric field becomes smaller and a diffusion current flows. This is the rectification effect of the pn junction ( Figure C ).

A bipolar transistor is one in which three pnp or npn regions are adjacent to each other in the same crystal. In a bipolar transistor, when a voltage is applied to the pn junction on the input side in the direction that reduces the internal electric field and to the pn junction on the output side in the direction that increases the internal electric field, electrons injected at the input side with a small voltage flow to the output side where a large voltage is applied, amplifying the power ( Figure D ).

[Masatoshi Mitaka]

Method for manufacturing semiconductor crystals

For integrated circuits, general transistors, and diodes, single crystals made by the pulling method (also called the Czochralski method or CZ method), which is easy to make large, good quality single crystals, are used. On the other hand, for devices that require high voltage resistance, such as power transistors, rectifiers, and thyristors, single crystals made by the floating zone method (also called the FZ method), which is easy to make high purity, high resistivity single crystals, are used. The pulling method is also used for mass production of germanium single crystals. When making silicon single crystals by the pulling method, high purity silicon polycrystals placed in a high purity quartz crucible are heated and melted by a carbon heater attached to the outer periphery of the crucible holder, and the single crystal is brought into contact with this solution and pulled up at a rate of 1 to 2 millimeters per minute while rotating about 10 times per minute. By rotating the quartz crucible in the opposite direction to the single crystal, a homogeneous, large diameter single crystal is made. Its diameter has grown from 20 millimeters at its beginning to 300 millimeters at its present size, at an average rate of 6 to 7 millimeters per year.

The floating zone method is an extension of the zone refining technology used for the physical refining of polycrystalline germanium and other materials, and is now applied to silicon. Since there is no crucible in contact with the solution, high-purity single crystals are obtained without the inclusion of impurities. In this method, a floating molten zone is first created in the device between the polycrystalline and single crystal. The floating molten zone is created by partially melting the crystal using a single-turn coil with high frequency (frequency 2-3 MHz), and the polycrystalline and single crystal are moved downward while rotating in opposite directions to each other, growing a single crystal below the floating zone. The floating zone is maintained above the single crystal by the adhesive and cohesive forces of the solution, and is mechanically unstable, but advances in control technology have made it possible to create a zone close in size to the single crystals produced by the pulling method.

For elemental semiconductors such as silicon and germanium, the vapor pressure at the melting point is extremely low, so crystal growth can be carried out in a vacuum or in a high-purity argon atmosphere. However, when compound semiconductors contain highly volatile components, a method to prevent evaporation is required. For example, in the case of gallium phosphide, the vapor pressure of phosphorus at its melting point (1467°C) is 35 atmospheres, so to create gallium phosphide crystals from a solution, growth must be carried out under such high temperatures and pressures. However, if boron oxide is floated on the gallium solution, it will envelop the entire solution during crystal growth, preventing the phosphorus from scattering. This method is called the liquid encapsulation method.

The horizontal Bridgman method is a method for growing crystals from a solution while controlling the vapor pressure of a highly volatile component. This method is mainly used to produce single crystals of gallium arsenide. Gallium arsenide, a gallium arsenide seed crystal, and excess arsenic are enclosed in a quartz ampoule, and the arsenic pressure at the melting point of gallium arsenide is supplied by adjusting the temperature of the excess arsenic, and growth is performed while preventing the decomposition of gallium arsenide.

The single crystals produced by the above methods are cut and polished to be used as thin plates. Attention has been focused on a method to economically produce thin plate-like crystals (ribbon crystals) by saving the crystals lost as kerfs in this process and the labor required for the process. This method includes a method of pulling up dendrites from the surface of a supercooled solution, and a method of contacting one end of a thin-plate mold with holes with the solution and growing ribbon-like crystals through the holes.

The growth of thin layers of the same single crystal on a thin, flat single crystal substrate is called epitaxy, and is an essential technique for producing superior diodes, transistors, and integrated circuits. There are two types of epitaxy: liquid phase and gas phase. Liquid phase epitaxy uses low-melting-point metals such as gallium and indium to grow thin layers of compound semiconductors, and was widely used in the manufacture of light-emitting diodes and laser diodes, but since the 1980s gas phase epitaxy has become the mainstream. In liquid phase epitaxy, the compound semiconductor is dissolved in a metal solution and saturated, and the temperature is lowered to deposit the supersaturated solute on the substrate. To grow different types of semiconductor layers on a substrate, a sliding graphite board is used to move several solution reservoirs and bring them into contact with the substrate one after the other.

There are two types of vapor phase epitaxy: one in which a semiconductor is deposited on a substrate from a reactive gas by chemical reaction, and the other in which it is evaporated in a high vacuum and deposited on a substrate. In the former case, silicon is grown by depositing silicon obtained by hydrogen reduction of silicon tetrachloride on a silicon substrate heated to about 1200°C to grow a single crystal. In this case, a small amount of diborane or phosphine can be mixed to create a p-type or n-type semiconductor layer. In the case of compound semiconductors, an organic metal is used as the reactive gas. The latter type of epitaxy is also called molecular beam epitaxy, in which a beam of deposition molecules is made to reach the substrate (through a small hole or slit) in an ultra-vacuum ( ^10-9 Torr or less) to grow a thin single crystal. This method can be used to create multiple thin layers of various semiconductors, not just silicon, but it has the disadvantage that it takes a long time to create a thick layer.

[Masatoshi Mitaka]

Semiconductor device manufacturing method

Semiconductor elements (semiconductor devices) are made by partially changing the conductivity and conductivity type (n-type or p-type) of a semiconductor crystal substrate, attaching electrodes and wiring where necessary. When producing a single crystal, the conductivity and conductivity type of the entire single crystal are controlled to be as uniform as possible, but there are not many elements that use this single crystal as it is and attach electrodes and wire them, such as photoconductive cells, Hall elements, and Peltier elements. It was also possible to change the conductivity type of a part during the production of the single crystal to make a grown junction transistor using a pn junction, but since only a part of the crystal with the junction can be used and most of the crystal is discarded, it is not suitable for mass production and is no longer used. To create elements using a thin plate (called a wafer) cut from a single crystal as a substrate, the conductivity type of the wafer can be partially changed, and there are methods such as the alloy method, impurity diffusion method, ion implantation method, and epitaxy method. The alloy method uses a metal such as indium or aluminum that can be alloyed with the semiconductor crystal at low temperatures and can change the conductivity type. Germanium alloy transistors and silicon diodes were once made using this method, but it is rarely used nowadays because precise control of the junctions is difficult and the mass productivity of producing many elements at once is low.

The impurity diffusion method allows easy control of the thickness of the diffusion layer, and the diffusion region can be precisely controlled by using a silicon oxide film as a mask. Furthermore, p-type and n-type regions can be freely obtained depending on the type of impurity, and is widely used. For example, in a planar transistor, boron is diffused through holes in silicon oxide to create a p-type layer for the base, and a second hole is drilled in the oxide film formed on top of that, and phosphorus is diffused to create an n-type layer for the emitter. Furthermore, electrodes are attached to the base and emitter layers through the holes in the oxide film to complete the transistor ( Figure E ). This method allows for high productivity in creating multiple transistors on a wafer at the same time, and the emitter and base regions can be precisely controlled using lithography, making it possible to mass-produce superior transistors at low cost. This method is also used to manufacture current integrated circuits. The ion implantation method of impurities, which is also a basic technology for integrated circuits, has many advantages, such as (1) it can be implanted at room temperature, (2) in addition to oxide films and polycrystalline films, photosensitive resin (also called resist) films can be used as masks, (3) the amount of impurities added can be precisely and uniformly controlled, and (4) heat treatment can be performed at less than 1000°C, and the thickness of the implanted layer can be controlled by the ion acceleration voltage. Therefore, like the diffusion method, it can be used to form the base and emitter of bipolar transistors, the source and drain of MOS transistors, and to adjust the threshold voltage of MOS transistors. Epitaxy is a type of crystal growth, but the growth rate is about 1/1000 of the pulling method, so it is usually used to make crystal layers for devices that are about a few micrometers thick. In particular, since the impurity concentration can be set independently of the substrate crystal, it is possible to create a low-impurity concentration layer on a high-impurity concentration layer, for example, when making a bipolar integrated circuit device layer, which is a feature different from other methods. That is, in bipolar integrated circuits, an n ⁺ type (the + sign indicates high impurity concentration) buried layer is created by diffusion on a p-type substrate, and a high-resistance n-type layer is created on top of that by epitaxy, with resistors, diodes, and transistors built into it ( Figure F ). In compound semiconductors, liquid phase epitaxy can create good crystal layers at low temperatures, so it is used to manufacture the active layer and electrode layer of Gunn diodes, heterojunctions in laser diodes, pn junctions in light-emitting diodes, etc. However, since the 1980s, laser diodes and other products have also been created using compound semiconductor vapor phase epitaxy.

[Masatoshi Mitaka]

Semiconductor Applications

Diodes and transistors, which are representative semiconductor elements, have taken over the fields (rectification, detection, amplification, oscillation, etc.) of the former vacuum tubes and discharge tubes, taking advantage of their small size, light weight, low power consumption, and long life, and now vacuum tubes are only used in a few areas such as high frequency and high output, such as high power broadcasting. There are many types of semiconductor elements, such as normal diodes and transistors, thyristors (silicon controlled rectifiers), Zener diodes (constant voltage diodes), Esaki diodes (tunnel diodes), Gunn diodes, and IMPATT diodes. There are also light-related light-emitting diodes and laser diodes, which are made of compound semiconductors, and photodiodes and phototransistors for receiving light are made of silicon and germanium. Solar cells have been put to practical use for photoelectric generation, and those with a light-to-electricity conversion efficiency of about 25% are made of silicon, and those with a light-to-electricity conversion efficiency of about 32% are made of gallium arsenide. The above utilize the properties of the pn junction, but other applications that utilize the properties of single crystals include Hall elements for detecting magnetic fields, Peltier elements for electronic cooling, Seebeck elements for thermoelectronic power generation, photoconductive cells for light detection, and piezoelectric elements for strain gauges (resistance wire strain gauges). Oxide semiconductors do not become single crystals, but they are used in gas sensors, thermistors, and as cathode materials for electron tubes.

Semiconductors allow circuit components such as resistors and capacitors to be built into them, and also allow for electrical isolation of elements and components within the same semiconductor. Taking advantage of this property, a circuit with one function is built onto the same semiconductor substrate, creating a semiconductor integrated circuit (IC). Integrated circuits have progressed to large-scale integrated circuits (LSI), very large-scale integrated circuits (VLSI), and ultra-very large-scale integrated circuits (ULCs), making it possible to create small, lightweight, highly reliable circuits at low cost. Their range of applications has gone far beyond the scope of traditional vacuum tubes and transistors, and is now reaching all sectors of society.

[Masatoshi Mitaka]

"Introduction to the Latest Semiconductor Elements" by Kyoji Ito et al. (1971, Seibundo Shinkosha)" ▽ "Electronics Pocket Book Editorial Committee ed., Electronics Pocket Book, 3rd Edition (1982, Ohmsha)" ▽ "Introduction to New LSI Engineering" by Migaki Masatoshi (1992, Ohmsha)" ▽ "Introduction to Semiconductors for Beginners - A Clear Understanding of the Mechanism and Fundamentals" by Uchitomi Naotaka (2009, Gijutsu Hyoronsha)" ▽ "Introduction to Semiconductor Devices" by Mameuda Toshiaki (2010, Denki Shoin)" ▽ "Illustrated Trivia: The Latest Mechanism of Semiconductors" by Nishikubo Yasuhiko (2010, Natsumesha)"

Physical properties of semiconductors (Figure A)
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Physical properties of semiconductors (Figure A)

Energy levels of n-type and p-type semiconductors (Figure B)
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Energy levels of n-type and p-type semiconductors (Figure B...

Energy band diagram near the pn junction (Figure C)
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Energy band diagram near the pn junction (Figure C)

Energy band diagram near the junction of a bipolar transistor during operation (Figure D)
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Near the bipolar transistor junction during operation...

Application of impurity diffusion in the manufacturing process of planar transistors (Figure E)
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In the manufacturing process of planar transistors...

Changes in cross-sectional structure during the manufacturing process of bipolar integrated circuits (Figure F)
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In the manufacturing process of bipolar integrated circuits…

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

常温で金属と絶縁物の中間の抵抗率（10^-3～10¹⁰Ω・cm）をもつ物質をいう。この物質は、極低温では絶縁物に近く無限大の抵抗率を示すが、温度上昇とともに急激に抵抗率が下がる。このことは、金属の抵抗率が温度上昇によって増加するのに対しており、半導体の一つの特徴となっている。そのほか、不純物の添加や光照射などの外部要因によっても抵抗率が大きく変化する。代表的な半導体には、単体のシリコン（ケイ素）、ゲルマニウム、セレンなどをはじめ、金属酸化物の酸化亜鉛、酸化鉛、酸化銅など、金属間化合物のガリウムヒ素（ヒ化ガリウム）、ガリウムリン（リン化ガリウム）、インジウムアンチモン、窒化シリコン、炭化シリコンなど、硫化物である硫化カドミウム、テルル化物であるテルル化カドミウム、有機化合物であるアントラセンなどがある。

［右高正俊］

歴史

半導体によって生ずる現象の発見は、19世紀の初頭から始まっている。1839年M・ファラデーは、硫化銀の抵抗率が金属とは逆に温度の上昇とともに減少することを発見、同年ベックレルAlexandre Edmond Becquerel（1820―1891）が、ある材料と電解質との界面に光を当てることによって電圧が発生する光起電力効果を発見した。1873年には、スミスWilloughby Smith（1828―1891）が、セレンに光を当てると電気伝導が変化する光導電効果を発見している。その1年後に、K・F・ブラウンは方鉛鉱に金属線を接触させて整流作用があることをみいだし、鉱石検波器の先駆者となった。同年A・シュスターは、酸化銅と銅の接触面でも整流作用があることを発見し、1920年のグロンダールLars Olai Grondahl（1880―1968）による亜酸化銅整流器試作のための基礎づくりを行った。また、1876年にフリツCharles Edgar Fritts（1838―1905）がセレンの整流作用を発見し、1883年には面接触型の実用的なセレン整流器を発表している。このように20世紀初頭までに多くの半導体素子が現れたが、その動作が明確に理解されるには至らなかった。1926年E・シュレーディンガーによって波動方程式が発表され、それを用いて半導体内の現象が次々と明らかになった。時を同じくして、理想に近い半導体材料もつくられるようになり、ついに1947年、J・バーディーン、W・H・ブラッテンが点接触トランジスタ（最初のトランジスタで現在は用いられていない）を発見し、続いて1948年W・B・ショックレーによるpn接合理論が発表され、本格的な半導体の時代となった。

［右高正俊］

半導体の物性

半導体の性質は結晶構造や化学結合の状態によって決まる。シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体は周期表のⅣ族に属し、ダイヤモンドと同じ構造をもつ結晶をつくる。この結晶構造はダイヤモンド構造とよばれ、正四面体の頂点に各原子が配置される。各原子は、原子のいちばん外側にある4個の電子を1個ずつ出し合って、隣の原子と共有することによって結合している（共有結合という）。Ⅲ～Ⅴ族の金属間化合物であるガリウムヒ素、ガリウムリンなどは、Ⅲ族とⅤ族の原子が交互に共有結合をして、単体半導体と類似の構造をもつ結晶をつくる。この構造は隣り合う原子が互いに異種原子となり、閃(せん)亜鉛鉱型とよばれる。テルル化カドミウムは閃亜鉛鉱型となるが、硫化カドミウムはウルツ鉱型といわれる構造を示している。そのほか、硫化鉛、テルル化鉛などは岩塩型結晶構造をもつなど多種多様であり、酸化物、硫化物などでは精製が困難で単結晶が得がたいものも多い。

　物質を構成している原子は、陽子と中性子からなる原子核と、その周りにある電子からできている。原子番号Zはこの陽子の数を表し、電子の数もZに等しい。これらの電子の行動は量子力学の法則に従い、シュレーディンガーの波動方程式を満足しなければならない。すなわち、原子核の周りを回っている電子は、決まったエネルギー準位の軌道しか選ぶことができず、しかも、同じエネルギー準位の軌道には、決まった数の電子しか入ることができない。量子状態を表す主量子数nが1のところには2個、2のところに8個、3のところに18個というぐあいである。しかし、原子を互いに近づけて結晶を構成させると、結晶内の一つの原子は、結晶全体に含まれる他の原子の影響を受け、エネルギー準位が変化する。原子群が互いに接近するにつれてエネルギー準位は分裂し、結晶を構成する程度に近づくと、少しずつ違ったエネルギー準位の集合であるエネルギー帯となる。この二つの帯の間は電子の存在が禁止されているので、禁止帯という。禁止帯の上のエネルギー帯に、電子で占められない準位が残っているときには、電子は原子間を移動することができるので、このエネルギー帯を伝導帯といい、禁止帯の下のエネルギー帯を価電子帯という。禁止帯のエネルギー幅は物質によって異なり、伝導帯に電子がなく、禁止帯の幅が大きいときは絶縁物、禁止帯幅が小さい場合には半導体となる。また、伝導帯に十分電子と空準位がある場合や、伝導帯と価電子帯が重なって禁止帯がない場合には金属となる（図A）。

　温度が室温より十分低い場合、禁止帯幅の小さい半導体においても、伝導帯の電子が禁止帯を飛び越えて伝導帯に上がることができず、伝導帯には電子がないので電気伝導はおきない。したがって、半導体は絶縁体となる。しかし室温では、価電子帯電子の一部が伝導帯に上がり、価電子帯に空準位を残す。伝導帯の電子、価電子帯の空準位（これを正孔という）は、ともに電気伝導に寄与するため、半導体は導電性を示すようになる。温度が高いほど伝導帯に上がる電子の数が増すため、半導体の導電性はよくなる。半導体の種類が決まれば、このような電子や正孔の数はフェルミ分布関数から求めることができる。なお、半導体内において、電気伝導に寄与する電子と正孔をキャリアあるいは電荷担体という。

［右高正俊］

n形・p形

以上のような半導体の性質は、単体半導体の場合では不純物がない場合であり、また化合物半導体では、化学量論的組成からのずれや欠陥のない理想に近い半導体（固有半導体という）についてのものである。単体半導体や一部の化合物半導体では、特定の不純物を加えることにより、伝導帯、または価電子帯近くの禁止帯中に新しい準位をつくることができる。伝導帯近くの準位をドナー準位といい、ドナー準位の電子は、わずかなエネルギーで伝導帯に上がることができるので、電子による導電性が増す。これをn形半導体という。また、価電子帯近くの準位をアクセプタ準位といい、価電子帯の電子はアクセプタ準位に上がり、価電子帯に正孔を生じ、この正孔によって導電性が増す。これをp形半導体という。さらにイオン性の強い化合物半導体では、金属イオンの過不足や欠陥による新しい準位ができ、金属イオンが過剰の場合はn形半導体、金属イオンが不足の場合はp形半導体となる（図B）。

［右高正俊］

pn接合

同一の半導体単結晶中にn形とp形の領域を接してつくった場合の両領域の接したところをpn接合という。pn接合は、ダイオード、トランジスタ、集積回路などで重要な働きをする基本構造である。pn接合は同一単結晶中にあるため、外観はとくに変わりはないが、接合付近のエネルギー帯構造は熱平衡状態で内部電界が発生する。p形領域では、正孔密度がn形領域より高いので、正孔が一部拡散で移動して正孔のほとんど存在しないp形領域（空乏層という）ができる。同様にn形領域の一部にも電子のほとんど存在しない空乏層ができ、ここに内部電界ができる。内部電界は正孔、電子の拡散を妨げる作用をして平衡状態となっている。p形領域が負電位となる向きに外部電圧を加えると、内部電界はさらに強くなるので、拡散は抑えられて電流は流れないが、これと逆の電圧を加えると、内部電界は小さくなり拡散電流が流れる。これがpn接合の整流作用である（図C）。

　同一の結晶中にpnpまたはnpnと三つの領域を接してつくったものをバイポーラトランジスタという。バイポーラトランジスタでは、入力側のpn接合は内部電界が小さくなる向きに、出力側は内部電界が大きくなる向きに電圧を加えると、入力側の小さな電圧で注入された電子が、大きな電圧をかけた出力側に流れて電力の増幅ができる（図D）。

［右高正俊］

半導体結晶の製造方法

集積回路や一般のトランジスタ、ダイオードには、良質で大型の単結晶がつくりやすい引上げ法（チョクラルスキー法あるいはCZ法ともいう）によりつくった単結晶が用いられる。一方、電力用トランジスタ、整流器、サイリスタなどの高耐圧を必要とする素子には、高純度、高比抵抗の単結晶がつくりやすい浮遊帯溶融法（フローティングゾーン法あるいはFZ法ともいう）による単結晶が用いられる。引上げ法はゲルマニウム単結晶の量産にも用いられている。引上げ法でシリコン単結晶をつくる場合は、高純度石英るつぼの中に入れた高純度シリコン多結晶を、るつぼホルダー外周に設けたカーボンヒーターにより加熱して溶かし、この溶液に単結晶を接触させ、これを毎分10回程度回転しながら毎分1～2ミリメートルの割合で引き上げる。石英るつぼも単結晶と逆方向に回転させることで、均質で大直径の単結晶がつくられる。直径は、初期の20ミリメートルから現在の300ミリメートルと、平均年6～7ミリメートルの割合で大きくなっている。

　浮遊帯溶融法は、ゲルマニウム多結晶などの物理精製を行っていた帯精製技術を発展させたもので、シリコンに応用しているが、溶液に接しているるつぼがないため、不純物の混入がなく高純度の単結晶が得られる。この方法は、装置の中で初めに浮遊溶融帯を多結晶と単結晶との中間につくる。浮遊溶融帯は高周波（周波数2～3メガヘルツ）の一巻きコイルを用い、結晶を部分的に溶かしてつくり、多結晶と単結晶とを互いに逆方向に回転させながら下方に移動することで、浮遊帯下の単結晶を成長させる。浮遊帯は溶液の付着力と凝集力によって単結晶上に保たれ、力学的に不安定であるが、制御技術の進歩で、引上げ法による単結晶に近い大きさのものができる。

　シリコンやゲルマニウムなどの単体半導体では、融点における蒸気圧はきわめて低いので、結晶成長は真空または高純度アルゴン雰囲気で行うことができる。しかし、化合物半導体で揮発性の高い成分がある場合、揮発を防ぐ手段が必要となる。たとえば、ガリウムリンの場合、融点（1467℃）におけるリンの蒸気圧は35気圧となるので、ガリウムリン結晶を溶液からつくるには、このような高温・高圧の下で成長を行わねばならない。しかし、ガリウム溶液上に酸化ホウ素を浮かべると、結晶成長のときにこれが溶液全体を包み、リンの飛散が防止できる。これを液体カプセル法とよんでいる。

　高揮発性成分の蒸気圧を制御しながら溶液から成長させる方法に、水平ブリッジマン法がある。この方法は、おもにガリウムヒ素の単結晶製造に用いられている。石英アンプルにガリウムヒ素、ガリウムヒ素種結晶、過剰ヒ素を封入し、ガリウムヒ素の融点におけるヒ素圧を過剰ヒ素の温度を調節して供給し、ガリウムヒ素の分解を防ぎながら成長を行う。

　以上の方法でつくられた単結晶は、切断、研摩のうえ薄板として用いられる。この工程で切代(きりしろ)として失われる結晶や、工程に必要な労力を節約し、経済的に薄板状結晶（リボン結晶）をつくる方法が注目されている。この方法には、過冷却溶液表面から樹枝状結晶を引き上げる方法と、薄片状の穴のあいた鋳型の一端を溶液に接触させ、穴を通して帯状結晶を成長させる方法がある。

　薄板状の単結晶基板上に、同一単結晶の薄層を成長させることはエピタキシーといわれ、優れたダイオード、トランジスタや集積回路をつくるには不可欠の技術である。エピタキシーには、液相からのものと気相からのものがある。液相エピタキシーはガリウム、インジウムなどの低融点金属を用い、化合物半導体の薄層を成長させるのに用いられ、発光ダイオードやレーザーダイオードの製法として実用化され広く使われたが、1980年代以降は気相エピタキシーが主となっている。液相エピタキシーでは、金属溶液の中に化合物半導体を溶かして飽和させ、温度を下げて過飽和の溶質を基板上に付着させる。基板上に種類の異なる半導体層を成長させるには、数種の溶液溜(だめ)を移動させ、基板に次々と接触させるようにしたグラファイト（黒鉛）製のスライド式ボードが使われる。

　気相エピタキシーには、化学反応によって反応ガスから半導体を基板上に堆積(たいせき)させるものと、高真空中で蒸発させて基板上に蒸着させるものとがある。前者で、シリコンを成長させる場合は、四塩化ケイ素の水素還元で得られるシリコンを1200℃程度に加熱したシリコン基板上に堆積させ、単結晶を成長させている。この場合、ジボランやホスフィンをわずか混合することで、p形やn形半導体層をつくることができる。化合物半導体の場合には、有機金属を反応ガスとして用いる。後者によるエピタキシーは分子線エピタキシーともいわれ、超真空（10^-9トル以下）中で、蒸着分子をビーム状にして（細孔またはスリットを通して）基板に到着させ、薄膜単結晶を成長させる。この方法では、シリコンに限らず種々の半導体薄層を幾層にも重ねてつくることができるが、厚い層をつくるには時間が長くなる欠点もある。

［右高正俊］

半導体素子の製法

半導体素子（半導体デバイス）は半導体結晶基板の導電率や導電形（n形とかp形の）を部分的に変え、必要なところに電極付け、配線を行ってつくられる。単結晶製作のときには、単結晶全体の導電率、導電形をできるだけ一様にするよう制御するが、この単結晶をそのまま用いて電極付け、配線してつくる素子は、光伝導セル、ホール素子、ペルチエ素子などと、それほど多くない。単結晶の製造の途中で一部分導電形を変え、pn接合による成長接合トランジスタとすることも行われていたが、接合のある結晶の一部しか使用できず、大部分は捨てるので、量産性に乏しく、現在は使われていない。単結晶を切断した薄板（ウェハーという）を基板として素子をつくるには、部分的にウェハーの導電形を変える方法がとられ、合金法、不純物拡散法、イオン打込み法、エピタキシー法などがある。合金法は、インジウム、アルミニウムなど半導体結晶と低い温度で合金をつくり、しかも導電形を変えうる金属を用いる。ゲルマニウム合金形トランジスタ、シリコンダイオードなどがこの方法でつくられていたが、接合部分の精密制御がむずかしく、しかも、多くの素子を一度につくるいわゆる一括生産性が低いので、現在ではほとんど行われていない。

　不純物拡散法は拡散層の厚さの制御が容易で、酸化ケイ素膜などをマスクとして使い、拡散領域の精密制御もできる。さらに不純物の種類によりp形、n形領域を自由に得られ、広く用いられている。たとえばプレーナートランジスタでは、酸化ケイ素にあけた孔(あな)からホウ素を拡散してベース用p形層をつくり、その上にできた酸化膜に二度目の孔をあけ、リンを拡散してエミッタ用n形層をつくる。さらにベース、エミッタの各層に、酸化膜にあけた孔を通し電極付けを行ってトランジスタとする（図E）。この方法は、ウェハー上に一度に多数のトランジスタを同時につくる一括生産性が高いうえ、リソグラフィーを用いてエミッタやベース領域を精密に制御できるので、優れたトランジスタを安く量産できるようになった。この方法は現在の集積回路を製造するのにも使われている。また、集積回路の基本的技術ともなっている不純物のイオン打込み法は、(1)常温で打ち込むことができる、(2)マスクとして酸化膜、多結晶膜などのほか、感光性樹脂（レジストともいう）膜が使える、(3)不純物の添加量制御が精密に一様にできる、(4)1000℃以下の熱処理で済み、打込み層の厚さをイオンの加速電圧で制御できる、などの多くの利点をもつ。したがって、拡散法と同じように、バイポーラトランジスタのベース、エミッタの形成、MOS(モス)トランジスタのソース、ドレーンの形成に使えるほか、MOSトランジスタの閾値(しきいち)電圧の調整に使われている。エピタキシーは一種の結晶成長であるが、成長速度が引上げ法の1000分の1程度と小さいので、普通数マイクロメートル程度の素子用結晶層の製作に利用される。とくに不純物濃度を基板結晶と独立に設定できるので、たとえばバイポーラ集積回路素子層をつくるときのように、高不純物濃度層上に低不純物濃度層をつくることができて、他の方法と異なった特長をもつ。すなわちバイポーラ集積回路では、p形基板上にn⁺形（+符号は高不純物濃度）埋込み層が拡散でつくられ、その上に高抵抗のn形層がエピタキシーでつくられ、この中に抵抗、ダイオード、トランジスタがつくり込まれる（図F）。化合物半導体では、液相エピタキシーで良好な結晶層が低温でつくれるため、ガンダイオードの動作層、電極層、レーザーダイオードのヘテロ接合、発光ダイオードのpn接合などの製造に用いられる。しかし、化合物半導体でも1980年代以降は気相エピタキシーでレーザーダイオードなどがつくられるようになっている。

［右高正俊］

半導体の応用

代表的な半導体素子であるダイオード、トランジスタは、かつての真空管、放電管などの分野（整流、検波、増幅、発振など）を、小型、軽量、小消費電力、長寿命などの特長を生かしながら侵食し、いまや真空管が使われるのは、高周波・高出力、たとえば大出力放送などのほんの一部だけとなっている。半導体素子は、通常のダイオード、トランジスタのほかに、サイリスタ（シリコン制御整流器）、ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）、エサキダイオード（トンネルダイオード）、ガンダイオード、インパットダイオードなどと種類も多い。また、光と関係する発光ダイオード、レーザーダイオードなどがあるが、これらは化合物半導体でつくられ、受光用としてのホトダイオード、ホトトランジスタなどは、シリコンやゲルマニウムなどでつくられる。光発電用として太陽電池が実用化され、光‐電気の変換効率25％程度のものがシリコンで、32％程度のものがガリウムヒ素などでつくられている。以上はpn接合の性質を利用しているが、単結晶の性質を利用したものとして、磁場検出用のホール素子、電子冷却用のペルチエ素子、熱電子発電用のゼーベック素子、光検出用の光伝導セル、ストレンゲージ（抵抗線ひずみ計）用のピエゾ効果素子などがある。酸化物半導体は単結晶にはならないが、ガスセンサー、サーミスターなどのほか、電子管の陰極材料としても用いられる。

　半導体は、抵抗やコンデンサーなどの回路部品をその中につくり込むことができ、しかも同一半導体中の素子や部品を電気的に分離することもできる。この性質を利用し、一つの機能をもった回路を同一半導体基板上につくり付けたものが半導体集積回路（IC）である。集積回路はさらに大規模集積回路（LSI）、超LSI、超超LSIと進み、機能の高い信頼性のある小型・軽量の回路を安くつくることができる。その応用範囲は、従来の真空管やトランジスタの範囲をはるかに超えて、社会のあらゆる分野に及ぶようになっている。

［右高正俊］

『伊藤糾次他著『最新半導体素子入門』（1971・誠文堂新光社）』▽『電子工学ポケットブック編纂委員会編『電子工学ポケットブック』第3版（1982・オーム社）』▽『右高正俊著『新LSI工学入門』（1992・オーム社）』▽『内富直隆著『はじめての半導体――しくみと基本がよくわかる』（2009・技術評論社）』▽『大豆生田利章著『半導体デバイス入門』（2010・電気書院）』▽『西久保靖彦著『図解雑学　最新　半導体のしくみ』（2010・ナツメ社）』