半導体デバイスエレクトロニクス

半導体デバイス、良好な導体でも絶縁体でもない材料（したがって半導体）で作られた電子回路コンポーネント。このようなデバイスは、コンパクトで信頼性が高く、低コストであるため、幅広い用途に使用されています。ディスクリートコンポーネントとして、それらはパワーデバイス、光学センサー、および固体レーザーを含む発光体での使用が見つかりました。電流定格は数ナノアンペア（10 ^-9アンペア）5,000アンペアを超え、電圧定格は100,000ボルトを超えます。さらに重要なことに、半導体デバイスは、複雑だが容易に製造可能なマイクロエレクトロニクス回路への統合に適しています。それらは、近い将来、通信、消費者、データ処理、産業用制御機器などの電子システムの大部分の主要な要素になります。

半導体と接合の原理

半導体材料

一般に、固体材料は、絶縁体、半導体、導体の3つのクラスに分類されます。（低温では、一部の導体、半導体、絶縁体が超伝導体になることがあります。）図1は、3つのクラスのそれぞれのいくつかの重要な材料に関連する導電率σ（および対応する抵抗率ρ= 1 /σ）を示しています。このような溶融石英やガラスなどの絶縁体、非常に低い導電率を有する、10のオーダーで^-18〜10 ^-10センチメートルあたりのジーメンス。アルミニウム等の導体は、典型的には10、高い導電性を有する⁴〜10の⁶センチメートル当たりのジーメンス。半導体の導電率はこれらの両極端の間にあります。

半導体の導電率は一般に、温度、照明、磁場、および微量の不純物原子に敏感です。例えば、０．０１パーセント未満の特定のタイプの不純物の添加は、半導体の電気伝導率を４桁以上（すなわち、１０，０００倍）増加させることができる。5つの一般的な半導体の不純物原子による半導体導電率の範囲を図1に示します。

半導体材料の研究は19世紀初頭に始まりました。長年にわたり、多くの半導体が調査されてきました。この表は、半導体に関連する周期表の一部を示しています。元素半導体は、列IVのシリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、灰色スズ（Sn）、列VIのセレン（Se）とテルル（Te）などの単一種の原子で構成される半導体です。しかし、2つ以上の元素で構成される化合物半導体は数多くあります。たとえば、ヒ化ガリウム（GaAs）は、III族からV族の化合物であり、III族のガリウム（Ga）とV族のヒ素（As）を組み合わせたものです。

半導体に関連する元素の周期表の一部

限目	カラム
	II	III	IV	V	VI
2	ホウ素 B	カーボン C	窒素 N
３	マグネシウム マグネシウム	アルミニウム Al	シリコン Si	リン P	硫黄 S
4	亜鉛 亜鉛	ガリウム Ga	ゲルマニウム Ge	ヒ素 として	セレン Se
5	カドミウム Cd	インジウム イン	スズ Sn	アンチモン Sb	テルル Te
6	水銀 Hg	鉛 のPb

三元化合物は、たとえば、II-III-VI化合物であるテルル化水銀インジウム（HgIn ₂ Te ₄）のように、3つの異なるカラムの元素で形成できます。これらは、3元のIII-V化合物であるヒ化アルミニウムガリウム（Al _x Ga _1-x As）などの2つの列の要素で形成することもできます。100％Al（x = 1）から100％Ga（x = 0）までの2つの元素の組成。純粋なシリコンは、集積回路アプリケーションにとって最も重要な材料であり、III-Vの2成分および3成分の化合物は、発光にとって最も重要です。

1947年にバイポーラトランジスタが発明される以前は、半導体は整流器やフォトダイオードなどの2端子デバイスとしてのみ使用されていました。1950年代初頭には、ゲルマニウムが主要な半導体材料でした。ただし、この材料で作られたデバイスは、適度に高い温度でのみ高いリーク電流を示したため、多くのアプリケーションには不適切であることが判明しました。1960年代初頭以来、シリコンは実用的な代替品になり、半導体製造の材料として事実上ゲルマニウムに取って代わりました。これの主な理由は2つあります。（1）シリコンデバイスははるかに低いリーク電流を示し、（2）絶縁体である高品質の二酸化シリコン（SiO ₂）は製造が容易です。シリコン技術は現在、すべての半導体技術の中で最も進んでおり、シリコンベースのデバイスは、世界中で販売されているすべての半導体ハードウェアの95％以上を占めています。

化合物半導体の多くは、シリコンにはない電気的および光学的特性を持っています。これらの半導体、特にヒ化ガリウムは、主に高速およびオプトエレクトロニクス用途に使用されます。