【電験3種・理論】「半導体」の攻略ポイントと例題

電験3種(理論)における「半導体」の攻略ポイントと例題をまとめました。

【半導体とは】真性半導体、n型半導体、p型半導体の違い

半導体とは、電気を通しやすい「導体」と電気を通さない「絶縁体」の中間の性質を持つ物質です。
代表的な半導体物質としてはシリコンがあり、半導体製品の多くがシリコンを元にして作られています。
半導体の抵抗率はだいたい10^{-4}10^{6}[Ω・m]で、温度が高くなると小さくなります。

また、半導体には、大別して真性半導体、n型半導体、p型半導体があります。

種別 概要
真性半導体 不純物がほとんど無い、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)等の純粋な半導体結晶で構成された半導体です。
n型半導体 電荷を運ぶキャリアとして自由電子が使われる半導体です(多数キャリアが電子となる半導体) 。真性半導体に、5価元素(リン、ヒ素)を不純物(ドナー)として添加すると出来ます(nはnegative[負]の意味)。
p型半導体 電荷を運ぶキャリアとして正孔(ホール)が使われる半導体です(正孔が多数キャリアとなる半導体)。真性半導体に、3価元素(ホウ素、アルミニウム)を不純物(アクセプタ)として添加すると出来ます(pはpositive[正]の意味)。
【半導体とは】真性半導体、n型半導体、p型半導体の違い
半導体の種類と原理について解説します。

【ホール効果】電流・磁界に対して垂直な方向に発生する起電力(電界)

電流Iに対して垂直な方向に磁界Hを加えると、電流Iと磁界Hに対して垂直な方向に起電力E(=電界)が発生します。
この現象をホール効果といいます。

ホール効果とは
ホール効果とその仕組みについてまとめました。

【ダイオード】pn接合(p型半導体とn型半導体を接合)

ダイオード(pn接合)は、p型半導体とn型半導体を接合したものです。

キャリアの密度差により「正孔」および「電子」が次のように移動します。

内容
正孔 p型領域からn型領域へ移動
電子 n型領域からp型領域へ移動(拡散)

【ダイオード】pn接合(p型半導体とn型半導体を接合)したもの
ダイオード(pn接合)についてまとめました。

【太陽電池】光起電力効果による発電

太陽電池は「光起電力効果」により発電しています。

上図のようなp型半導体とn型半導体を重ねあわせた半導体の接合部に太陽光が当たると、電子と正孔が対になって発生します。そして接合部の内部電界Eの影響を受けて、電子がp型半導体の部分へ、正孔がn型半導体の部分へ移動します。
すると半導体に起電力Vが発生します。
この現象を光起電力効果といいます。

【太陽光発電】光起電力効果
太陽光発電における光起電力効果についてまとめました。

【可変容量ダイオード】ダイオードに逆電圧を印加し、静電容量が小さくなることを利用

可変容量ダイオードはダイオード(p 接合)に逆電圧(n側に高電圧を印加)を印加し、空乏層(キャリヤがほとんど存在しない領域)が広がる原理を利用したものです。
電圧を大きくすると空乏層は広くなり、静電容量は小さくなります。
これを利用して、無線通信の同調回路などに利用されます。

【電験3種とは】出題範囲と対策まとめ
電験三種とは?出題範囲と対策まとめについてまとめました。

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