半導体 – HiSoUR 芸術文化美術歴史

半導体材料は、銅、金などの導体とガラスのような絶縁体との間にある電気伝導率値を有する。それらの抵抗は、温度が上昇するにつれて減少し、これは金属の挙動とは反対の挙動である。それらの導電特性は、結晶構造内への不純物の意図的で制御された導入（「ドーピング」）によって有用な方法で変更することができる。 2つの異なってドープされた領域が同じ結晶内に存在する場合、半導体接合が形成される。これらの接合部に電子、イオンおよび電子ホールを含む電荷担体の挙動は、ダイオード、トランジスタおよびすべての最新のエレクトロニクスの基礎である。

半導体デバイスは、電流をより容易に一方向に流し、可変抵抗および光または熱に対する感度を示すなどの有用な特性の範囲を表示することができる。半導体材料の電気的特性は、ドーピングによって、または電場または光の印加によって変更することができるので、半導体から作製されたデバイスは、増幅、スイッチングおよびエネルギー変換に使用することができる。

シリコンの導電率は、5価（アンチモン、リンまたはヒ素）または3価（ホウ素、ガリウム、インジウム）の原子を少量加えることによって増加する（108の一部）。このプロセスはドーピングとして知られており、得られる半導体はドープまたは外部半導体として知られている。

半導体の特性の近代的な理解は、結晶格子内の電荷キャリアの動きを説明するために量子物理学に依存している。ドーピングは、結晶内の電荷キャリアの数を大幅に増加させる。ドープされた半導体が主にフリーホールを含む場合、それは「p型」と呼ばれ、それが大部分が自由電子を含むとき、それは「n型」として知られている。電子デバイスに使用される半導体材料は、p型ドーパントおよびn型ドーパントの濃度および領域を制御するための正確な条件下でドープされる。単一の半導体結晶は、多くのp-およびn型領域を有することができる。これらの領域間のp-n接合は有用な電子的挙動の原因となる。

いくつかの純粋な元素および多くの化合物は半導体特性を示すが、シリコン、[より良いソースが必要な]ゲルマニウムおよびガリウム化合物は電子デバイスで最も広く使用されている。メタロイドが周期律表上に位置する、いわゆる「メタロイド階段」に近い元素は、通常、半導体として使用される。

半導体材料の特性のいくつかは、20世紀半ばおよび最初の10年間にわたって観察された。エレクトロニクスにおける半導体の最初の実用化は、初期の無線受信機で広く使用されている原始半導体ダイオードであるCat’s-Whisker検出器の1904年の開発でした。量子物理学の発展により、1947年のトランジスタと1958年の集積回路の開発が可能になった。

プロパティ

可変伝導率
電流が電子の流れを必要とし、半導体がその価電子帯を満たし、新しい電子の流入を妨げるので、自然状態の半導体は導電体が不良である。半導体材料がドーピングやゲートなどの導電材料のように振る舞うようにするいくつかの技術が開発されている。これらの変更は、n型とp型の2つの結果を有する。これらはそれぞれ、電子の過剰または不足を指す。不均衡な数の電子は、材料に電流を流す。

ヘテロ接合
ヘテロ接合は、2つの異なるドーピングされた半導体材料が一緒に接合されるときに生じる。例えば、構成は、pドープされたゲルマニウムとnドープされたゲルマニウムからなることができる。これにより、異なるドープされた半導体材料の間で電子と正孔が交換される。 nドープされたゲルマニウムは過剰の電子を有し、pドープされたゲルマニウムは過剰なホールを有する。転移は、再結合と呼ばれるプロセスによって平衡に達するまで起こり、これによりn型からの移動する電子がp型からの移動するホールと接触する。このプロセスの生成物は、電場を生じる荷電したイオンである。

励起された電子
半導体材料上の電位の差は、それが熱平衡を離れ、非平衡状態を作り出す原因となる。これは、電子と正孔を系に導入し、両極性拡散と呼ばれるプロセスによって相互作用する。半導体材料において熱平衡が乱されると、正孔と電子の数が変化する。このような混乱は、システムに入り電子とホールを生成する温度差または光子の結果として起こりうる。電子と正孔を生成して消滅させる過程を生成と再結合といいます。

発光
特定の半導体では、励起された電子は、熱を発生する代わりに光を放出することによって緩和することができる。これらの半導体は、発光ダイオードおよび蛍光量子ドットの構築に用いられる。

熱エネルギー変換
半導体は、熱電発電器に有用な大きな熱電力係数を有し、高い熱電性能指数を有して熱電冷却器に有用である。

材料
多数の元素および化合物は、以下を含む半導体特性を有する：

特定の純元素は、周期律表の第14族に見出される。これらの元素のうち最も商業的に重要なものは、シリコンおよびゲルマニウムである。シリコンとゲルマニウムは、最外殻に4価の電子を持ち、同時に電子を均等に獲得したり消失させる能力があるため、効果的に使用されます。
二元化合物、特にヒ化ガリウム、第12族および第16族、第14族および第16族、および異なる第14族元素、例えば炭化ケイ素のような13族および15族の元素間の化合物。
特定の三元化合物、酸化物及び合金。
有機化合物でできた有機半導体。

最も一般的な半導体材料は結晶性固体であるが、非晶質および液体半導体も知られている。これらには、水素化アモルファスシリコンおよびヒ素、セレンおよびテルルの混合物が様々な割合で含まれる。これらの化合物は、より良好に知られている半導体と、中間導電性および温度による導電性の急速な変化ならびに時折負の抵抗性を共有する。このような不規則な材料は、シリコンのような従来の半導体の硬い結晶構造を欠いている。それらは一般に、不純物および放射線損傷に対して比較的敏感でなく、より高い電子品質の材料を必要としない薄膜構造に使用される。

半導体材料の製造
今日の電子技術のほとんどは、半導体の使用を含み、ラップトップ、スキャナー、携帯電話などに見られる集積回路（IC）が最も重要な側面です。IC用半導体は量産されています。理想的な半導体材料を作るためには、化学的純度が最優先です。小さな不完全さは、材料が使用されるスケールのために半導体材料がどのように挙動するかに劇的な影響を及ぼし得る。

結晶構造の欠陥（転位、双晶、および積層欠陥など）が材料の半導体特性を妨げるので、高度の結晶完全性もまた必要である。結晶欠陥は、欠陥のある半導体デバイスの主な原因である。結晶が大きければ大きいほど、必要な完成度を達成することが難しくなります。現在の量産プロセスでは、直径100〜300mm（3.9〜11.8インチ）の結晶インゴットをシリンダーとして成長させ、ウェーハにスライスします。

ICのための半導体材料を調製するために使用されるプロセスの組み合わせが存在する。 1つのプロセスは熱酸化と呼ばれ、シリコンの表面上に二酸化シリコンを形成する。これは、ゲート絶縁膜およびフィールド酸化膜として用いられる。他のプロセスは、フォトマスクおよびフォトリソグラフィと呼ばれる。このプロセスは、集積回路内の回路のパターンを生成するものである。紫外線をフォトレジスト層と共に使用して、回路のパターンを生成する化学変化を生成する。

エッチングは、必要とされる次のプロセスです。前のステップからフォトレジスト層によって覆われなかったシリコンの部分をエッチングすることができる。現在一般的に使用されている主なプロセスはプラズマエッチングと呼ばれています。プラズマエッチングは、通常、プラズマを生成するために低圧チャンバ内にポンプされたエッチングガスを含む。一般的なエッチングガスは、クロロフルオロカーボン、またはより一般的に知られているフロンである。カソードとアノードとの間の高い高周波電圧は、チャンバ内にプラズマを生成するものである。シリコンウェーハは陰極上に位置し、プラズマから放出される正に荷電したイオンによって衝突される。最終結果は、異方性エッチングされたシリコンである。

最後のプロセスは拡散と呼ばれます。これは、半導体材料に所望の半導体特性を与えるプロセスである。これはドーピングとしても知られています。このプロセスは、システムに不純物原子を導入し、pn接合を生成する。シリコンウェーハに埋め込まれた不純な原子を得るために、ウェーハをまず摂氏1100度のチャンバに入れる。原子は注入され、最終的にシリコンで拡散する。プロセスが完了し、シリコンが室温に到達した後、ドーピングプロセスが行われ、半導体材料が集積回路に使用される準備が整う。

半導体の物理学

エネルギーバンドと電気伝導
半導体は、導体と絶縁体の間のどこかの固有の電気伝導挙動によって定義される。これらの材料の違いは、電子が0または1電子を含む可能性のある電子の量子状態（パウリの排除原理による）によって理解することができます。これらの状態は、材料の電子バンド構造に関連している。電気伝導性は、非局在化（物質を通って伸びる）状態に電子が存在するために生じるが、電子を輸送するためには、部分的に電子を含む部分が満たされなければならない。状態が常に電子で占有されている場合、それは不活性であり、その状態を介して他の電子の通過を阻止する。これらの量子状態のエネルギーは、そのエネルギーがフェルミ準位に近い場合にのみ部分的に満たされるため、重要である（フェルミディラック統計を参照）。

材料中の高い導電率は、部分的に充填された状態が多く、状態の非局在化が多い状態から生じる。金属は良好な電気伝導体であり、フェルミ準位近くのエネルギーを有する多くの部分的に充填された状態を有する。対照的に、絶縁体は部分的に充填された状態をほとんど有しておらず、フェルミ準位はバンドギャップ内に位置し、占有するエネルギー状態はほとんどない。重要なことに、絶縁体はその温度を上昇させることによって伝導することができる。加熱は、バンドギャップを横切るいくつかの電子を促進するエネルギーを与え、バンドギャップ（価電子帯）の下の状態のバンドおよび上記の状態のバンドバンドギャップ（伝導帯）。（真性）半導体は、絶縁体よりも小さいバンドギャップを有し、室温でかなりの数の電子を励起してバンドギャップを横切ることができる。

しかしながら、純粋な半導体は、非常に良好な絶縁体でもなく、非常に良好な導体でもないので、あまり有用ではない。しかしながら、半導体（および半絶縁体として知られているいくつかの絶縁体）の重要な特徴の1つは、不純物をドープして電界をゲーティングすることによって、その導電率を増加および制御できることです。ドーピングとゲーティングは、フェルミ準位に非常に近い伝導帯または価電子帯を移動させ、部分的に充填された状態の数を大幅に増加させる。

いくつかのより広いバンドギャップの半導体材料は、時には半絶縁体と呼ばれる。ドープされていない場合、これらは電気絶縁体に近い導電率を有するが、ドーピングすることができる（半導体として有用にする）。半絶縁体は、HEMTのための基板のようなマイクロエレクトロニクスにおけるニッチ用途を見出す。一般的な半絶縁体の例はガリウム砒素である。二酸化チタンのようないくつかの材料は、他の用途のためにワイドギャップ半導体として扱われる一方で、いくつかの用途のための絶縁材料として使用することさえできる。

電荷キャリア（電子と正孔）
伝導帯の最下部の状態の部分的な充填は、そのバンドに電子を加えることとして理解することができる。電子は（自然な熱的再結合のために）無期限に留まることはありませんが、しばらくの間移動することができます。電子の実際の濃度は、典型的には非常に希薄であり、（金属とは異なり）半導体の伝導帯の電子を、一種の古典的な理想気体と考えることが可能である。パウリの排除の原則。ほとんどの半導体では、伝導帯は放物線状の分散関係を有しているため、これらの電子は、有効質量が異なるにもかかわらず、真空中と同様に力（電界、磁場など）に応答する。電子は理想気体のように振る舞うので、Drudeモデルのような非常に単純な言葉で伝導を考えることもでき、電子移動度などの概念を導入することもできます。

価電子帯の上部の部分的な充填のために、電子正孔の概念を導入することが有用である。価電子帯の電子は常に動き回っていますが、完全に完全な価電子帯は不活性であり、電流を伝導しません。価電子帯から電子が取り出されると、電子が通常取っていた軌道はその電荷を失っている。電流の目的のために、電子を差し引いた完全な価電子帯のこの組合せは、電子と同じように動く正に荷電した粒子を含む完全に空のバンドの絵に変換することができる。価電子帯上部の電子の負の有効質量と組み合わされて、正の荷電粒子が真空中で行うのと同じように、電場および磁場に応答する正に荷電した粒子の写真に到達し、有効質量。この粒子は正孔と呼ばれ、価電子帯の正孔の集合は単純な古典的な用語で（伝導帯の電子の場合と同様に）再び理解することができる。

キャリア生成と再結合
電離放射線が半導体に当たると、電子をそのエネルギーレベルから励起し、結果としてホールを残すことがある。このプロセスは、電子 – 正孔対発生として知られている。電子 – 正孔対は、外部エネルギー源が存在しない場合でも、熱エネルギーから常に生成される。

電子 – 正孔対も再結合しやすい。エネルギーの保存は、電子がバンドギャップよりも大きなエネルギー量を失うこれらの再結合事象は、（フォノンの形態の）熱エネルギーまたは（光子の形態の）放射線の放出を伴うことを要求する。

いくつかの状態では、電子 – 正孔対の生成および再結合は等ポイズンである。与えられた温度における定常状態の電子 – 正孔対の数は、量子統計力学によって決定される。生成および再結合の正確な量子力学的メカニズムは、エネルギーの保存および運動量の保存によって支配される。

電子と正孔が一緒に会合する確率がその数の積に比例するので、生成物は所与の温度でほぼ一定の定常状態にあり、有意な電場は存在しない（両者のキャリアを「フラッシュする」、またはそれらをより多く含む隣接領域からそれらを一緒に会うように移動させる）、または外部的に駆動されるペア生成を含む。この積は、温度に伴って対を生成するのに十分な熱エネルギーを得る確率がほぼexp（-EG / kT）であり、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、EGはバンドギャップ。

会合の可能性は、電子や正孔をトラップして対が完了するまで保持することができるキャリアトラップ（不純物または転位）によって増加する。そのようなキャリアトラップは、定常状態に達するのに必要な時間を短縮するために意図的に追加されることがあります。

ドーピング
半導体の導電率は、その結晶格子に不純物を導入することによって容易に変更することができる。制御された不純物を半導体に加えるプロセスは、ドーピングとして知られている。真性（純粋な）半導体に添加される不純物またはドーパントの量は、その導電度を変化させる。ドープされた半導体は、外因性と呼ばれる。純粋な半導体に不純物を添加することによって、導電率は数千または数百万の因子によって変化し得る。

金属または半導体の1cm 3の試料は1022原子のオーダーである。金属中では、すべての原子が伝導のために少なくとも1つの自由電子を供与するので、1 cm 3の金属は約1022自由電子を含み、純粋なゲルマニウムの20℃の試料は約4.2 x 1022原子2.5×1013個の自由電子と2.5×1013個の穴を有する。砒素（不純物）を0.001％添加すると、同じ容積に1017自由電子が追加され、導電率が10,000倍に増加します。

適切なドーパントとして選択される材料は、ドーパントとドープされる材料の両方の原子特性に依存する。一般に、所望の制御された変化を生じるドーパントは、電子アクセプタまたはドナーのいずれかに分類される。ドナー不純物でドープされた半導体はn型と呼ばれ、アクセプタ不純物でドープされた半導体はp型として知られている。 nおよびpタイプの表記は、どの電荷キャリアが材料の多数キャリアとして機能するかを示します。反対のキャリアは、多数キャリアと比較してはるかに低い濃度で熱励起のために存在する少数キャリアと呼ばれる。

例えば、純粋な半導体シリコンは、各シリコン原子をその隣接原子に結合させる4つの価電子を有する。シリコンにおいて、最も一般的なドーパントは、III族元素およびV族元素である。 III族元素はすべて3価の電子を含み、シリコンをドープするために使用されたときアクセプターとして機能する。アクセプター原子が結晶中のケイ素原子を置換すると、格子の周りを移動し電荷キャリアとして機能する空状態（電子「ホール」）が生じる。第V族元素は、5つの原子価電子を有し、それらがドナーとして作用することを可能にする。これらの原子をシリコンに置換すると、余分な自由電子が生じる。したがって、ホウ素でドープされたシリコン結晶はp型半導体を生成するが、リンでドープされたものはn型材料を生じる。

製造中に、ドーパントは、所望の素子のガス状化合物との接触によって半導体本体に拡散させることができ、またはイオン注入を用いて、ドープ領域を正確に配置することができる。

半導体の初期の歴史
半導体の理解の歴史は、材料の電気的特性に関する実験から始まる。 19世紀初頭から、抵抗、整流、光感度の負の温度係数の特性が観測された。

トーマス・ヨハンゼーベックは、1821年に半導体による影響を初めて知った。1833年、マイケル・ファラデーは硫化銀の試料の抵抗が加熱されると減少すると報告した。これは、銅のような金属物質の挙動に反する。 1839年、Alexandre Edmond Becquerelは、固体と液体電解質との間の電圧、光が当たったときの光起電力効果の観測を報告した。 1873年、ウィロビー・スミスは、セレン抵抗器が光に当たると抵抗が減少することを観測しました。 1874年にカール・フェルディナンド・ブラウン（Karl Ferdinand Braun）は金属硫化物の伝導と整流を観測したが、この影響は1835年にAnnalen der Physik und ChemieのPeter Munck af Rosenschold（Sv）によって書かれ、Arthur Schusterワイヤは、ワイヤがクリーニングされると停止する整流特性を有する。 William Grylls AdamsとRichard Evans Dayは、1876年にセレンで太陽光発電効果を観測しました。

これらの現象の統一的な説明は、20世紀前半に大きく発展した固体物理学の理論を必要とした。 1878年、エドウィン・ハーバート・ホール（Edwin Herbert Hall）は、印加された磁場であるホール効果（Hall effect）によって流れる電荷担体の偏向を実証しました。 1897年にJJ Thomsonによって電子が発見されたことで、電子ベースの伝導が固体で起こるという理論が導かれました。 Karl Baedekerは、金属の場合と逆の符号を有するホール効果を観察することによって、ヨウ化銅が正の電荷キャリアを有することを理論化した。 Johan Koenigsbergerは、彼の学生Josef Weissが1910年にPhD論文でHalbleiter（近代的意味では半導体）という用語をすでに導入していたが、1914年には金属、絶縁体および “可変導体”として固体材料を分類した.Felix Blochは、 1930年にB. Guddenは、半導体の導電率は不純物の微量濃度によるものであると述べた。 1931年までに、伝導のバンド理論がAlan Herries Wilsonによって確立され、バンドギャップの概念が開発された。 Walter H. SchottkyとNevill Francis Mottは、潜在的障壁と金属 – 半導体接合の特性のモデルを開発した。 1938年までにBoris Davydovは銅酸化物整流器の理論を開発し、pn接合の影響と少数キャリアと表面状態の重要性を明らかにしました。

理論的予測（量子力学の発展に基づく）と実験結果との間の合意は時々貧弱であった。このことは後にJohn Bardeenによって、半導体の極端な「構造に敏感な」挙動のために説明されました。その性質は微量の不純物に基づいて劇的に変化します。様々な割合の微量汚染物質を含有する1920年代の商業的に純粋な物質は、異なる実験結果をもたらした。これにより、改善された材料精製技術の開発が促進され、1兆分の1の純度を有する材料を生産する最新の半導体製油所で最高レベルに達しました。

半導体を使用するデバイスは、半導体理論がより機能的で信頼性の高いデバイスの構築を導く前に、経験的な知識に基づいて最初に構築されました。

アレクサンダー・グラハム・ベルは1880年にセレンの光に敏感な性質を利用して光の光線に音を伝えました。低効率の作動可能な太陽電池は、1883年にCharles Frittsによってセレンでコーティングされた金属板とゴールド; この装置は1930年代に写真測光計に商業的に有用となった。鉛硫化物製の点接触式マイクロ波検出器整流器は、1904年にJagadish Chandra Boseによって使用された。天然ガレナまたは他の材料を使用している猫ウィスカー検出器は、ラジオの開発において共通の装置となった。しかし、それは操作上いくぶん予測不可能であり、最良の性能を得るためには手動調整が必要でした。 1906年、HJ Roundは、発光ダイオードの背後にある原理である炭化ケイ素結晶を電流が通過すると発光を観測しました。 Oleg Losevは1922年に同様の発光を観測しましたが、当時は実用的ではありませんでした。酸化銅とセレンを使用するパワー整流器は1920年代に開発され、真空管整流器の代替品として商業的に重要になった。

第二次世界大戦の前に、赤外線検出と通信装置は硫化鉛と鉛 – セレン化物の研究を促しました。これらのデバイスは、船舶や航空機の検出、赤外線レンジファインダーの検出、音声通信システムの検出に使用されていました。利用可能な真空管装置は約4000MHz以上の検出器として機能することができなかったので、点接触結晶検出器はマイクロ波無線システムにとって不可欠となった。高度なレーダーシステムは水晶検出器の高速応答に依存していました。戦争中に一貫した品質の検出器を開発するために、シリコン材料のかなりの研究開発が行われました。

検出器とパワー整流器は信号を増幅できませんでした。ソリッドステートアンプを開発するために多くの努力がなされ、20db以上を増幅できるポイントコンタクトトランジスタと呼ばれるデバイスの開発に成功しました。 1922年、Oleg Losevはラジオ用の2端子の負性抵抗アンプを開発し、成功裏に完成したレニングラード包囲戦で死亡した。 1926年、Julius Edgar Lilienfeldは現代の電界効果トランジスタに似たデバイスの特許を取得しましたが、実用的ではありませんでした。 R. HilschとRW Pohlは1938年に真空管の制御グリッドに似た構造を用いた固体増幅器を実証しました。デバイスは電力利得を表示しましたが、1秒あたり1サイクルのカットオフ周波数を有していました。実際のアプリケーションでは低すぎますが、利用可能な理論の効果的なアプリケーションです。 Bell Labsでは、William ShockleyとA. Holdenが1938年にソリッドステートアンプの調査を開始しました。シリコンの最初のp-n接合は、1941年にRussell Ohlによって観察されました。これは、標本が光に敏感で、一端のp型不純物と他方のn型不純物との間に形成される。 p-n境界で試料から切り取ったスライスは、光に暴露されると電圧を発生させた。

フランスでは、戦争中、HerbertMataréは、ゲルマニウムベース上の隣接する点接点間の増幅を観察しました。戦後、Mataréのグループは、Bell Labsが “トランジスタ”を発表した直後に “Transistron”アンプを発表しました。