最近良く聞く、半導体ってなんですか？教えてください。

oguro0705さん

半導体（はんどうたい）とは、電気を通す導体や電気を通さない絶縁体に対して、それらの中間的な性質を示す物質である。英語semiconductor（"semi-" 半分、やや、"conductor" 導体）からの翻訳。

周囲の電場や温度によって電気をどの程度通すか（電気伝導性）を敏感に変化させるその性質は工業上極めて重要である。今日の電子工学の基礎をなす半導体素子、あるいはその集積体であるICといったものは半導体の性質を利用して作られている。


金属、半導体、絶縁体におけるバンドギャップ（禁制帯幅）の模式図。半導体では空いている伝導帯の電子（伝導電子）を外部からの刺激で増やすことで、物性を動的に変化させられる。金属ではエネルギーバンド内に空き準位があり、価電子がすぐ上の空き準位に移って伝導電子となるため、常に電気伝導性を示す。半導体は産業のコメだと言われるほど非常に重要な分野である。

半導体のバンド構造の模式図。Eは電子の持つエネルギー、kは波数。Egがバンドギャップ。半導体（や絶縁体）では「絶対零度で電子が入っている一番上のエネルギーバンド」が電子で満たされており（充満帯）、その上に禁制帯を隔てて空帯がある（伝導帯）。半導体の性質で特徴的なのが、熱や光、磁場・電圧・電流などの刺激でその物性が動的に変わることである。この特徴により、半導体の応用範囲は非常に多様なものとなっている。この特徴は適切な幅の禁制帯を持つバンド構造に由来し、電子が伝導電子になったり価電子になったりすることで、電気的・光学的・熱的などの面で性質が変化する。

より厳密には、半導体とは、価電子帯の部分の状態密度が完全に電子で詰まった充満帯となっており、一方伝導帯は空（空帯）で、価電子帯と伝導帯の間にバンドギャップが存在する状態、またはその状態を示す物質である。同じようにバンドギャップが存在する絶縁体に比べて、半導体はバンドギャップがより狭いことでよく区別されるが、この区別は必ずしも妥当ではない。例えば、通常ダイヤモンド（バンドギャップは実験値で室温で約5.47 eV）は絶縁体として扱われることがある。この違いはむしろ、不純物によって伝導度を制御できるかどうかによって区別されるべきであり、したがってダイヤモンドや窒化アルミニウムなどは半導体であり、現在ワイドバンドギャップ半導体と総称される。通常半導体として扱われる物質のバンドギャップは、シリコンで約1.1 eV、ゲルマニウムで約0.67 eV、ガリウムヒ素化合物半導体で約1.4 eV。発光ダイオードなどではもっと広いもの（ワイドギャップ半導体）も使われ、リン化ガリウムでは約2.3 eV、窒化ガリウムでは約3.4 eVである。現在では、ダイヤモンドで5.27 eV、窒化アルミニウムで5.9 eVの発光ダイオードが報告されている。