半導体について質問なのですが...

electric_developerさん

半導体としてはシリコンやゲルマニウムなどが知られていますが、いずれも
４価の原子です。
原子核の周りを回っている電子のうち、最外周を回っている数が4個で
あるものを「４価」と呼びます。

下のURLにある絵を見てもらうと良いと思いますが、不純物の無い純粋な
シリコン（又はゲルマニウム）は、隣接した4つの原子とそれぞれ電子を共有
する共有結合をします。
http://www1.ocn.ne.jp/~raichi/semicon/semicon.html

共有結合した結果、最外周には8個の電子が存在する状態になります。
最外周の電子が8個になると原子が安定するという法則がありますので、
この状態になると全ての電子ががっちりと固定されてしまい、自由に動き
回れる電子は無くなります。
電流というのは電子の流れですから、動ける電子が無ければ電流を流す
ことはできません。つまり、純粋なシリコンは絶縁物だということです。

純粋な半導体を真性半導体と呼びますが、これに不純物としてリンや
砒素のような５価の原子を混ぜたものがN型半導体です。

5価の原子はシリコンよりも1個多く電子を持っていますので、電子を
1個多く提供するものという意味で、「ドナー」と呼ばれています。
ドナーは最外周の電子が1個多いですので、共有結合すると不安定で
自由に動き回れる電子（自由電子）が1個生まれることになります。
このように、ドナーを混ぜることによって自由電子が生まれ、電流が
流れるようになります。

真性半導体に対して、ボロンやインジウムのような３価の原子を混ぜると
P型半導体ができあがります。

3価の原子はシリコンよりも持っている電子が1個少ないですので、電子を
受け入れるものという意味で「アクセプタ」と呼ばれています。
アクセプタは最外周の電子が1個少ないですので、共有結合すると電子が
足りなくて不安定となる「穴」が1個生まれます。
この穴のことは正孔（せいこう）あるいはホールと呼ばれており、自由電子と
同じように動き回ることができます。
実体が無い「穴」ではありますが、隣りの原子から電子を1個奪い取って
自分自身に埋めることにより、隣りの原子に穴が移動するような動きをします。

自由電子はマイナスの電荷を持っていて、これが移動することが電流と
呼ばれていますが、正孔もプラスの電荷を持っていますから、これが移動
することは電流の流れになります。
＃ ただし、電子とは流れる方向が逆です。

つまりN型半導体が電子をキャリア（電流が流れるための媒体）とする電気
導体だとすると、P型半導体は正孔をキャリアとする電気導体になります。

P型半導体とN型半導体をくっつけると（PN接合）、ダイオードができます。
電子が多いものと、電子が足りないものを接触させるわけですから、その
接合面付近では自由電子と正孔が合体して、真性半導体と同じ安定
状態になってしまいます。
つまり、接合面付近が絶縁物となってしまい、電流を流さなくなります。

PN接合の境界付近で、電子と正孔が対消滅してキャリアが無くなって
しまった領域のことを空乏層（くうぼうそう）と言いますが、
N型の方にプラス、P型の方にマイナスとなる極性で電圧をかけると、
N型内のキャリア（電子）はプラス側に引っ張られ、P型内のキャリア（正孔）は
マイナス側に引っ張られて移動していくため、空乏層の幅が広くなります。
空乏層という絶縁領域がありますから、もちろん電流も流れません。

逆に、N型の方にマイナス、P型の方にプラスとなる極性で電圧をかけると、
それぞれのキャリアが反対側に引っ張られるため空乏層が狭くなっていきます。
シリコン半導体の場合、かける電圧が0.7Vくらいになった時点で完全に
空乏層が無くなり、電流が流れるようになります。

つまり、P型とN型を接合させることで、１方向にしか電流を流さない、
ダイオードと呼ばれる部品ができあがります。

またPNPとかNPNとか組み合わせることで、入力電流に比例して、大きさが
増幅された出力電流を流す性質を持つ、トランジスタのような部品も作る
ことができます。