【電験三種：理論】平成２１年度　問１１

難易度

半導体に関する知識問題です。

基本的な内容なため、確実に取りたい所ですが、Ⅲ族・Ⅴ族のどちらの元素をドープすると、P形半導体・N形半導体のどちらになるかがごちゃごちゃになっていると間違えやすいです。

問題

半導体に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体においては、キャリヤの電子と正孔の数は同じである。

(2)真性半導体に微量のⅢ族又はⅤ族の元素を不純物として加えた半導体を不純物半導体といい、電気伝導度が真性半導体に比べて大きくなる。

(3)シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体にⅤ族の元素を不純物として微量だけ加えたものをp形半導体という。

(4)ｎ形半導体の少数キャリヤは正孔である。

(5)半導体の電気伝導度は温度が下がると小さくなる。

回答

答え

(3)

要点整理

Ⅲ族・Ⅳ族・Ⅴ族元素について

	Ⅲ族元素は、電子が３つある元素で、ガリウム(Ga)、ホウ素(B)等がある。 電子が１個不足しているため、不足箇所に正孔（ホール）が出来ます。 電圧を掛けたとき、このホールに周囲の電子が、ホールに移動するため、＋から－に流れる＋の粒子があるように見える。
	Ⅳ族元素は、電子が４つある元素で、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等がある。 電子に過不足がないため、電圧をかけても電流は流れない。
	Ⅴ族元素は、電子が５つある元素で、リン(P)や、ヒ素(As）等がある。 電子が１個余っているため、余った電子（自由電子）が電圧を掛けたとき、－から＋に電流が流れる。

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Ⅳ族のみの場合（真性半導体）

Ⅳ族元素のみの真性半導体の場合、余った電子（自由電子）や、電子の不足（正孔）が無いため、電圧を掛けても電流が流れずらいです。

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Ⅲ族がドープされている場合（P形半導体）

①
②
③

Ⅲ族をドープしたＰ形半導体に電圧を掛けたとき、
正孔の周りにある電子が＋極に引き寄せられて、近くの正孔に移動します。
すると、電子の移動で空いたところが新たなホールとなりますので、またとなりの電子が移動します。
これを繰り返すことで電子は＋極の方へ移動し、同時に正孔は－極の方へ移動していくように見えます。
このことから実際に動いているのは電子ですが、正孔を＋の電気を帯びた粒子と見れます。

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Ⅴ族がドープされている場合（Ｎ形半導体）

余った電子（自由電子）が、電圧を掛けると＋に引き寄せられて自由に動くため、
－から＋に向かって電子が流れます。

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覚え方

管理人の覚え方は、Ⅲ族、Ⅳ族、Ⅴ族は、それぞれ電子の数を表しますので、電子が多いか少ないかでP形かN形かをイメージできるようにしています。

具体的には、
３族は、電子の数が１個不足して半導体内に正孔（＋粒子）が出来るので、P形半導体になります。
４族は、真性半導体です。
５族は、電子の数が１個多いため半導体内に自由電子が出来るので、N形半導体になります。
といった具合です。

要点整理の適用

(1)シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体においては、キャリヤの電子と正孔の数は同じである。
⇒キャリヤの電子と正孔の数は同じであるため、正しいです。

(2)真性半導体に微量のⅢ族又はⅤ族の元素を不純物として加えた半導体を不純物半導体といい、電気伝導度が真性半導体に比べて大きくなる。
⇒キャリア濃度の低い真性半導体に比べ、不純物半導体はキャリア濃度が高いです。
　キャリア濃度が高ければ電流が流れやすいので、電気伝導度が大きくなります。
　以上のことから、正しいです。

(3)シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)の真性半導体にⅤ族の元素を不純物として微量だけ加えたものをp形半導体という。
⇒Ⅴ族の元素を不純物としてドープ（微量だけ加えること）したものは、電子が余って自由電子になるためｎ形半導体になりますので、間違っています。

(4)ｎ形半導体の少数キャリヤは正孔である。
⇒ｎ形半導体の少数キャリヤは正孔であるため正しいです。
　また、多数キャリヤは電子です。

(5)半導体の電気伝導度は温度が下がると小さくなる。
⇒低温では電流が流れ難い真性半導体も、温度が上がると熱エネルギーによって、結束していた電子が放出されるため、電流が流れやすくなります。
そのため、温度が上がると電気伝導度が上がり、温度が下がると電気伝導度が下がります。
以上のことから、正しいです。

出典元

平成２１年度第三種電気主任技術者試験　理論科目Ａ問題問１１

参考書