H28 問11

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解説

半導体に関する問題です。

半導体とは電子を4つもつ原子のことです。
世の中の全ての電気製品に半導体を含む部品が使われています。

炭素（C）、ケイ素（Si、シリコン）、ゲルマニウム（Ge）など、
半導体に位置付けられて原子的特徴をもつ元素はいくつかありますが、
電気製品に使われている半導体は99％はSiです。

最近では、SiCやGeAsといった化合物半導体を使った電気製品も
ちょこちょこ世の中に出回り始めましたが、
一般に普及するのはまだ10年くらい先になるんじゃないかと思います。

さて、半導体の分野を突き詰めようとすると、
電験三種の枠から大きくはみ出した分野の勉強をしないといけません。
（力学は基本の基で、量子力学、統計学、ちょこっと群論くらいかが必要かと思います。）

このサイトでもいずれ、電験に関わる方が親しみをもてるように、
半導体に関する情報をまとめようと思っているのですが、
ひとまずは電験三種の問題に解答するために必要な情報に注力します。

半導体に関する文章問題では、半導体というフレーズに続いてp型半導体、n型半導体という言葉が出てきます。

それぞれの特徴を以下の表にまとめました。

半導体の種類	不純物の総称	不純物の特徴	多数キャリア	多数キャリアの向き
P型半導体	アクセプタ	Ⅲ族の原子 （電子3つ）	正孔	電流と同じ
n型半導体	ドナー	Ⅴ族の原子 （電子5つ）	自由電子	電流と逆向き

p型のpは”positive”、n型のnは”negative”の頭文字です。p型が正の電荷、n型が負の電荷が
たくさんあるとイメージしてもらえばよいと思います。

半導体は原子（Siと不純物）と電子で構成されています。
p型半導体は正の電荷がたくさんありますが、電子が入るはずの穴ぼこがたくさんあり、
その穴ぼこが正の電荷として振る舞います。この穴ぼこのことを”正孔”といいます。

また、導体は外部からエネルギーをもらうと、電子の動きが活発になり、
絶縁体や導体では見られない物理的な現象を引き起こします。

（１）熱電効果
導体（金属）や絶縁体は、温められると、原子の熱振動が活発になり、抵抗は大きくなります。
（電子が動こうとする（電流が流れる）ときに原子とぶつかりやすくなり、抵抗が大きくなります）
しかし、半導体では原子の熱振動よりも、自由に動ける電子の数が増えるという状態変化のほうが
活発に起こるため、抵抗は小さくなります。（＝導電率が大きくなります）
この効果を熱電効果といいます。

（２）光電効果
半導体に外部から光を照射すると、光のエネルギーにより、自由に動ける電子の数が増え、電流が発生します。この効果を光電効果といいます。

（３）ホール効果
磁場環境下に置かれた半導体に電流を流すと、半導体中の電子（または正孔）はローレンツ力を受けて、その進行方向が変化し、電位差が発生します。この現象をホール効果といいます。
磁場の測定や、物体の電気的特性を調べるために使われます。

本問題に関係する半導体の情報をまとめてみました。
参考になれば幸いです。