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半導体入門講座

第1回 半導体の物性

厚木エレクトロニクス 代表
サクセス インターナショナル 取締役
加藤俊夫

皆さん，コンニチハ。今年，半導体業界へ入られた新人の方々，今一度半導体を復習したい方々，これから始まる講座を何回かお付き合い頂くと目からウロコ。半導体が面白くなること請け合いです。

色々な種類がある半導体

皆さんは，デジタルカメラやカメラ付き携帯電話を持っているでしょう。そのカメラには，CCDやCMOSと呼ばれる半導体のイメージセンサが使われていて風景を電気信号に変えています。半導体は光を感じます。またCDやDVDにはレーザが使われていますが，これらも半導体の仲間です。すなわち，半導体は光も出すわけです。最近はオーディオやビデオも，テープやディスクに替わってフラッシュメモリが用いられ，極めてコンパクトな機器が販売されています。これも半導体技術の進歩の賜物です。
このように半導体には色々な種類がありますが，最も多く使われているのは，CMOS LSIと呼ばれる回路素子です。CMOS LSIはComplimentary Metal Oxide Semiconductor Large Scale Integrationの略で，シーモス エルエスアイと呼ばれています。
図1は半導体の家族を表したもので，CMOS LSIは我こそ王様であると威張っています。そこで，飛車，角行，金，銀には目もくれず，王様であるCMOS LSIに王手を掛けることにします。

ちょっと面倒な物性講座

図1　半導体の仲間達

CMOS LSIに入る前に，どうしても物性に触れておきたいと思います。皆さんは周期律表を中学校で習ったと思います。「卒業したら忘れてしまった」「何のために中学へ行ったの？」冗談はさておき，表1を見て下さい。この表のIII，IV，V族に注目して頂きたい。現在の半導体の大部分はシリコン（Si）を材料にしています。周期律表の�W族のところに有ります。IV族の原子が結晶を作ると半導体になり，炭素（結晶になるとダイヤモンド）やゲルマニウム（Ge）の結晶も半導体になりますが，ここでは横道に入り過ぎるのでこれぐらいにしておきましょう。

半導体とは何？

図2　半導体の区分

「半分だけ導体っていう意味かしら」。合っているようで，少し違います。金属は電気を良く通すから導体，ガラスやプラスチックは絶縁物なので不導体，その中間の物質が半導体である。と説明される場合が多いですが，厳密には間違いです。純水に塩を少しずつ加えると，電気が流れるようになりますが，この食塩水は半導体ではありません。（図2）

どのような物が半導体かといえば，ある状態では不導体だが，ちょっと条件を変えると導体になる。そんな物質と言っておきます（厳密な学者先生から叱られそうな説明ですが）。その条件というのは，IV族のSi結晶中に，III族やV族の原子を添加すると大いに電気的性質が変わります。不純物を添加することをドーピングと呼んでいます。辞書によると，Dopeとは刺激剤や麻薬を飲むことと出ています。オリンピックではほんの少しドーピングすると，大いに活性化して凄い記録が出るから禁止されていますが，半導体でも同じで，III族やV族の原子をほんの微量ドーピングしただけで電気的性質がガラリと変わってしまいます。そこが半導体の面白いところです。

図3　Siの原子構造

ところでSiの原子は，中心に原子核があり，その周りを14個の電子が回っていますが，量子論という難しい学問によると，どこでも勝手なところを回れるわけでなく，回れる軌道が決まっており，図3のように一番内側の第1軌道が2個，次の第2軌道に8個，その外の第3軌道に4個の電子があります。この一番外の4個の電子が重要で，周りの4個の原子と結合して結晶を作っています。これを共有結合と呼んでいます。

図4　Siマンションは4人家族

Si原子が結晶状態に並んだ様子をマンションに例えてみると，図4のように4人家族が暮らせる間取りになっています。そこへ5人家族が入居してきたらどうなるか。一人が余ってしまい，居る場所がなくなり末っ子の電子が追い出されてしまう。追い出された電子は隣の家に行くが，そこも4人で暮らしており，電子を入れる余地がない。そうやって，電子はマンション中を歩き回る羽目となります。
Si結晶中に，V族のリン（P）が入った場合はそのような状態で，第3軌道の5個の電子を持っているPは，Siと共有結合すると電子が１個余るのでこれを放出し，電子が結晶中を歩き回ることになります。電子はマイナスの電荷を持っているので，Negativeの意味でN型半導体と呼んでいます。では，3人家族が越してきた場合はどうなるか。3人家族だと1人分空いているので，そこへ隣の子供が移ってきます。すると隣は1部屋空くので，さらに隣の子供が移ってきます。この様子は図5のようになります。結局，子供が右へ次々に動くということは，空いた部屋が反対の左へ動くのと同じと考えます。空き部屋が次々移動するのは，プラスの電荷を持った粒子が動くと考え，これをプラスの孔と言う意味で，正孔と名付けています。英語ではHoleと呼んでおり，正孔が発生する半導体をP（Positive）型と呼んでいます。

図5　正孔（Hole）の考え方

空き部屋のある原子といえば，第3軌道に3個の電子があるIII族の原子です。アルミニウム（Al），ガリウム（Ga），インジウム（In）もIII族なので該当しますが，一般にはホウ素（B）が用いられることが多いです。以上をまとめると，PやAsをドーピングすると，自由電子が発生してN型になり，Bをドーピングすると正孔が発生してP型になります。

MOSトランジスタの構造と動作

長くなりますが，MOSについて少し見ておきたいと思います。MOSはMetal-Oxide-Semiconductorで，日本語で言えば，金属-酸化物-半導体ですが，金酸半ではおかしいし，やはりMOSと呼ぶしかありません。

図6　水の流れに似ているMOSトランジスタ

MOSトランジスタの動作は，水の流れで説明されると分かりやすいと思います。図6左図の水源からの水の流れは，水門を開くと流れるし，閉じると流れない。それと同じことが半導体で行われています。すなわち，MOSトランジスタのゲート電極へ電圧を掛けると，ソースからドレインへ電流が流れ，ゲート電圧を掛けないと流れない。つまり，ゲートの電圧によって，ソースからドレインへの電流をONかOFFにするわけです。電極の名前も，ソース（Source：水源），ドレイン（Drain：引き込み口），ゲート（Gate：水門）という水の流れから取った名前がついています。

図7　ソースとドレインが導通した状態

NMOSトランジスタのゲート電極にプラスの電圧を与えると，Si側にマイナスの電荷，すなわち電子が現れます。すると，両側のソースとドレインは元々電子が沢山あるN型なので，ソースとドレイン間に少し電圧を掛けてやると，この間に電流が流れます。すなわちON状態です。ゲート電極にプラスの電圧が掛かっていなければ，Si表面に電子が現れませんから，ソースとドレインにいくら電子があっても，この間に電流が流れずOFF状態となります。このように，ゲートにプラスの電圧を与えるかどうかで，ソースとドレイン間の導通が決まります。これがMOSトランジスタの原理で，電子が流れるタイプをNMOSと呼んでいます。ソースとドレインがP型で，正孔が流れるタイプはPMOSと呼ばれます。実際に生産されているMOSはもっと複雑ですが，原理は以上の通りで，極めて簡単で拍子抜けしたでしょう。
次回は，NMOSとPMOSが同じチップに載っているCMOSを取り上げます。

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