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半導体素子(はんどうたいそし)は、半導体の電気伝導の電子工学的な特性を利用した固体能動素子である。ソリッドステートデバイスとも呼ばれる。代表例としては、トランジスタや集積回路(IC・LSI)などが挙げられる。

半導体素子はテレビ受像機、携帯電話、コンピュータといった現代の電気製品(電子機器)には必ずといっていいほど組み込まれており、さらに自動車や各種産業機器などにもコンピュータなどの電子機器を組み込む場合が多く、その工学上の重要性は非常に大きい。また経済上の重要性も非常に大きく、半導体素子の市場規模は2006年現在、世界で20兆円を超えている。こうした半導体素子のもつ産業上の重要性のことを指して、「半導体は産業の米だ」などと言い表すことも多い。

◆ 特徴

半導体素子が一般的に使われる前には、電子機器内の能動素子としては真空や気体を利用した電子管(真空管など)が使われていた。しかし、半導体素子には次のような特徴があるため、殆どの応用分野で電子管を代替し、凌駕した。

・ ヒーターが不要なため消費電力が少なく、電源投入と同時に動作する。

・ 低温で動作するため寿命が長い。

・ 固体であるため振動や加速度に強く信頼性が高い。

・ 同じ動作をさせるのに必要な体積・面積が小さい。

当初電子管に比べて不利とされていた弱点についても、それを補う方法が開発され、さらに広く普及した。

・ 温度による特性の変化が大きいので、補償回路が必要である。→補償回路を含んだ集積回路の製作。

・ 製造工程の少しの変化が大きな特性変化として現れる。→デジタル回路化し、特性のばらつきの影響を小さくする。または、製造工程の管理を厳しく行う。

・ 電気的なストレス(過負荷、過電圧、過電流など)に弱い。→回路設計上の工夫や各種保護回路との併用。

◆ 材料とその性質

殆どの半導体素子は、単結晶シリコンを使用するが、他に利用される材料としてゲルマニウム、ガリウム砒素 (GaAs)、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム (GaN)、炭化珪素 (SiC)、等がある。

半導体材料の伝導性は、結晶構造中の自由電子の過不足を生む不純物に依存する。通常多数キャリア(majority carrier)(N型半導体では電子、P型半導体では正孔)を通じて担われる。しかし、トランジスタなど多くの半導体素子では、動作するためには少数キャリア(minority carrier)N型半導体では正孔、P型半導体では電子が必要である。

半導体の整流効果(電流を一方にだけ良く通す性質)は、元来は方鉛鉱の結晶で発見された。初期のラジオ受信機(鉱石ラジオ)では、鉛の保持具に埋め込んだ方鉛鉱の結晶の表面に「猫のひげ」と呼ばれた細い金属線をわずかに接触させたものが用いられた。

◆ 半導体素子の構造

◇ 点接触形

もっとも初期のタイプである。ゲルマニウムなどの半導体表面に針を刺して各端子にする物である。1945年にダイオードが、1948年にトランジスタが開発された。点接触形ダイオードは端子間容量が小さく、高周波特性が良いので検波用ダイオードとして広く用いられ、今日でも特定用途に生産されている。他方、点接触形トランジスタは、トランジスタ発明当時の姿であり、エミッタ端子とコレクタ端子との間隔を微小に保つことの困難さや、動作の不安定さなどからまもなく接合型トランジスタに取って代わられた。

この方式以外の半導体は、原則としてすべて接合型構造に分類される。

◇ 結晶成長形

純粋な半導体の単結晶を溶融半導体中に入れ、ゆっくり引き上げ棒状に成長させるものである。

; レートグローン形

: ドナー不純物とアクセプタ不純物をともに少量含ませた溶液から引き上げるものである。引き上げる速度を速くするとP型半導体が成長し、遅くするとN型半導体が成長する。ベース領域が厚くなるため高周波特性を良くすることが困難である。

; グローン拡散形

: 引き上げる過程で溶融半導体中に加える不純物を変化させると結晶の場所によりP型あるいはN型半導体が成長する。これによりダイオードの場合PN、トランジスタの場合P-N-P(あるいはN-P-N)構造を作るものである。

◇ 合金接合形(アロイ形)

ゲルマニウムトランジスタ全盛期に一般的だった製法である。ゲルマニウムの薄いN型単結晶を、アクセプタとなるインジウム等の金属粒で両面から挟んで熱接合し、合金部分から拡散したアクセプタによってPNP構造を形成したもの。(NPN型もあったが、Siトランジスタでは使われなかったと思われる)

・ ドリフトトランジスタ

・ 表面障壁形

・ マイクロアロイ形

・ マイクロアロイ拡散形

◇ メサ形

断面が台地(メサ)状で、厚み方向に電流を流すものである。PN接合ダイオードの場合PN、バイポーラトランジスタの場合PNP/NPN、サイリスタの場合PNPN構造を形成する。

2000年代では、大電力用パワーデバイスのみに使用されている。

◇ プレーナ形

同一平面上に端子用電極を形成したものである。電流経路を短くすることが可能で高周波特性が良いなどの特徴がある。

また、微細加工により多くの素子を並べて写真技術の応用で製造できるためばらつきが少なく大量生産に向く。この特徴を生かしてモノリシック集積回路が発明された。

◇ プロセスによる分類

; 拡散接合形

: 半導体基板に拡散やイオン注入などで不純物を含ませるものである。

; エピタキシャル形

: 低い抵抗値の半導体基板の表面に薄い高抵抗の結晶層を形成するものである。

; SOI (silicon on insulator)

: 絶縁体上にシリコンのプレーナ形半導体素子を形成する技術である。絶縁体上の薄膜を利用するので、基板下部からの漏れ電流が少なく、耐放射線性能が向上する。システム液晶ディスプレイ・漏れ電流が少なく高速動作が可能なCMOS-IC・高耐圧MOS-IC・耐放射線素子の製作に使用される。絶縁体には人工に作られたサファイアが使われることもある(silicon on sapphire:SOS)。

◆ 半導体素子の例

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