半導体と言う言葉は良く聞くようになりましたが,いざ『半導体とは?』, というときに良くある誤解には次のようなものがあります。
電気の流れにくさや流れやすさを表す量として,電気抵抗率を用います。
これは,「単位長さ単位断面積あたりの抵抗値」で表されます。同じ物質でも,
長さが長ければ抵抗は大きくなるし,断面積が大きければ抵抗は
小さくなりますから,両方で規格化するわけです。サイコロの大きさだけ
切り出してきた時の抵抗と考えて下さい。これが,1 Ω(オーム)であれば,
電気抵抗率は,1 Ωcm となります。
抵抗率は,温度によって変化します。ここでは,
室温での抵抗率で比較します。
アルミや鉄のような金属では,電気抵抗率は 1 μΩcm から 1 mΩcm (10-6 〜 10-3 Ωcm) のオーダーです。 これに対して,ガラスなどの絶縁体では,電気抵抗率は 1 TΩcm (1012 Ωcm) 以上のオーダーです。これだけ広い範囲に渡る 物理量は他にはありません。『半導体』とは,
固 体 | 電気抵抗率(Ωcm) | |
---|---|---|
金属 | 銅 | 2×10-6 |
カリウム | 7×10-6 | |
ニッケル | 7×10-6 | |
ニクロム線 | 10-4 | |
半導体 | ゲルマニウム(不純物を含む) | 1 |
ゲルマニウム(純粋) | 500 | |
シリコン(純粋) | 105 | |
絶縁体 | 窓ガラス | 1012 |
ダイヤモンド | 1014 | |
テフロン | 1020 |
一言で言うと,電気を運ぶキャリア(電子や正孔)の数が少ないからです。 金属ではキャリアはたくさん存在するし,絶縁体では存在しない, 半導体では その中間です。ではどうして,そうなのか? 別の所でも説明していますが, 超高層マンションに入居する電子を例にとって説明しましょう。
まず,金属と絶縁体の違いを説明します。金属は電気を良く通すし, 絶縁体は電気を通しません。しかし,金属と絶縁体で,電子の性質が 違うわけではありません。どちらの電子もフェルミ粒子です。 金属と絶縁体では,マンションの形が違うのです。
N個の電子を考えます。金属マンションと絶縁体マンション, どちらも部屋数は2N部屋です。
金属マンションは普通のマンションです。が,絶縁体マンションは 恐ろしい形をしています。ちょうどまん中のところにピロティがあって, 下の階から上の階にはそのままでは登れないのです!(ちなみに, 降りるのは簡単。落ちれば良いのです。)
恐ろしいマンションです。が,少し電子に,エネルギーを 与えてみましょう。でも,ピロティの幅は室温のエネルギーの 100倍以上です。 一番金持ちの電子(ピロティのすぐ下の階の電子)が高額のお金をもらっても, ピロティの上まで行くことは出来ません。では,おなじ階の中で 動けるかというと,どの階も満室なので,動くことすら出来ません。これが, 「絶縁体は電気を通さない」理由です。
ちなみに,半導体ではピロティの幅が比較的狭いために, 少数の電子が励起され伝導に寄与しうる,といったシナリオになっています。