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半導体とバンド理論の解剖

(2020/4/27)追記。力の概念と電気物理 (2019/5/21) 。

『電荷』を否定する。さて半導体の理論はバンド理論が担っている。ケイ素(シリコン)Siの共有結合で真性半導体の結晶構造を理解する。不純物元素により、P型、N型半導体となる。バンド理論で重要なエネルギーレベルの指標に『フェルミレベル』と言う概念がある。何か電子の存在確立が50%のエネルギーレベルをフェルミレベルと解釈するようだ。『電荷』を否定する立場から考えれば、そんなフェルミレベルの意味が理解できない。それは、技術的な半導体製造過程で具体的な設計に重要な役目となっているだろうか。半導体の特性決定に『フェルミレベル』を役立てられるかの問題である。 半導体に関する解説書が書店には沢山そろっている。「バンド理論」の解説である。しかしその意味するところが理解できない。理解できないような筆者がバンド理論を解剖するとはどういうことかと訝しいでしょう。その事を少し素人なりに解剖してみようと思う。理解できないなりに、昔学習に努めた。例えば、オックスフォード物理学シリーズ5 触れ合う原子ー液体と固体の物理ー 三宅彰訳 丸善株式会社 (ATOMS IN CONTACT  B.R.Jennings and V.J.Morris) 等を読んだが、全く自分には理解するだけの能力がない。

半導体結晶とenergy band 半導体結晶構造とエネルギー順位。 半導体素材はシリコンSiが主体であろう。教科書的には外殻の荷電子の数が4個で、立体空間的にダイヤモンド構造を成す結晶体と考えている。その構造を平面に表現できないが、右①のような平面図形で教科書には表されている。シリコンだけの純粋な結晶は絶縁体であろう。そこに不純物が含まれると、導体と絶縁体の中間の電気伝導特性を示すようになる。不純物の混在結晶で、半分導体に近い特性を示すという意味で半導体と名付けたのだろうと考える。そのダイヤモンド結晶の不純物により、結晶構造にひずみが生じる。上の①ではホウ素Bを不純物としてシリコン結晶内に、ドーピングさせた場合の様子を平面図に表した。・・が電子同士が対を成す『共有結合』を表す。炭素結合の秘め事に関連論。原子同士を結び付ける力は磁力であり、エネルギーの回転流であろう。電子の『電荷』等は存在しないのである。さてホウ素Bが結晶に混在すると、電気特性が何故変化するのだろうか。教科書の説明は、ホウ素の最外殻電子が3個で、結晶構造に電子の欠損が生まれ、その欠損部は丁度電子の穴、正のホールと看做せると解釈する。その電子欠損部に向かって、隣の電子が移動すると考えるようだ。その時、電子が逃げたSiに電子の欠損部が移り、また次の隣から電子が移って来ると考えるようだ。次々と電子の移動が起こり、それが電流として半導体の特性を示すと解釈するようだ。電子の移動は電荷間の電界に因る以外は不可能である。どんな電荷分布により、電子を移動する電界が生じると解釈するか。この電荷移動については力学から見た電流矛盾で考えた。ホウ素が混在しても、電気的には原子の電荷は中性の筈である。

半導体と回路素子 半導体と回路素子。 現在の科学技術を支えている基本が半導体製品である。送電系統の大電力制御の半導体製品から、pcのcpuや情報端末まであらゆる基本製品が半導体に支えられている。なかでもその基本となる幾つかを拾い上げて、半導体の特性とその解釈理論を考えてみよう。簡単な製品で、a diode、b transistor、c LEDを取上げて考えてみよう。

diode 。 最も単純な半導体機能はダイオードにある。カソードKに対してアノードAが高電位になる順電圧がかかると、ダイオードはスイッチオンで、導線で繋がったとみれば良い。電源電圧が逆になれば、ダイオードはスイッチオフで、回路が遮断される。こんな電気的動作、スイッチング動作を自動的にダイオードが電圧の逆、順方向を判断して、自動的に切り替える特性を備えている。こんな自動制御機能が半導体の優れた基本特性となる。このダイオードで、電気回路のエネルギー流を一方向だけに切り替える pn 接合の結晶構造の意味をどのように捉えるかである。それが何故かの『疑問』であり、『問答』の原点である。ここで視点を変えて、セレン整流器に触れておこう。古い整流器としての実績がある。調べると、セレンSe(99.99%以上の純度)はp型半導体とある。セレンは周期律の酸素の列にあり、6価であるから結晶構造はダイヤモンドとは異なるだろう。セレン整流器はセレンに錫ーカドミュウム混合体を吹き付けて整流作用を作り出していたようだ。この場合も、半導体のスイッチング機能としてはシリコンダイオードと同じ原理であろう。整流作用の解釈には、幅広い観点からその本質を見極めなければなるまい。

transistor。 次に能動的制御性を備えたトランジスターを考えてみよう。b 図にそのnpn型を記した。そのトランジスターと言う電気回路素子は、特性としてp型のベースBからn型のエミッタEへの信号(普通電流と言う)供給を制御すると、コレクタC側の負荷への供給エネルギー量(出力信号)を自由に制御できる機能を持った素子である。簡単に電流制御半導体素子と言えば良いのだろう。しかし、このトランジスターの空間構造がnpn接合になってはいないのだろう。n型半導体にp型半導体をドーピングして製造されているのじゃなかろうか。三層構造でなく、ドーピングの二層構造ではなかろうか。もし内部接合部の構造が明確に三層のnpn型に構成されているなら、基本特性は2個のダイオードを逆接続しても得られる筈だ。そんな単純なpn接合には決してなっていない筈だ。コレクタ側の接合はダイオードの逆バイアスとなる。だから、ベースーエミッタ間を制御しても基本的にはコレクターベース間は逆バイアスで、ダイオード基本特性から決してスイッチオンの状態には成らない。即ち負荷制御は出来ない筈である。トランジスターの科学技術は現代社会の全てを支える根幹を成している。しかし、その科学的理論は極めて曖昧な論理が世界を支配している。

LED。 三つ目に発光ダイオードを取り上げよう。中村修二氏の功績で、青の光源が得られた。窒化ガリウムGaN系で光の三原色の一つ青色が得られ、三原色が揃ったと言えよう。そのLEDの半導体構造がどのようになっているかが良く分からない。製造過程がどのように成されるかが分からないから、その出来上がった完成LEDの接合部の空間構造の接続状態を認識できない。しかし、pn接続の間にドープ発光不純物(?)が有る訳でもなさそうだ。カソード(n型)基盤の上で、p型アノードの近くにドーピングされているのかと思える空間構造だ。この発光分子材がどのように電源供給エネルギーを吸収して、一定の周期で放射する発光エネルギーに変換するのかが発光色の周波数となる訳である。エネルギー変換機能の詳細は発光物質のエネルギー貯蔵・放射特性で決定されると観て良かろう。白熱電球のフィラメントにタングステンが優れている訳は素材の蒸発や加工性エネルギー変換効率など様々な要因から利用されて来たと同じく、LEDの場合もその素材の発見に掛かっている訳で、分子構造等の空間的エネルギー変換特性は中々捉え難かろう。理論で示すことが難しいのである。技術の利用は理論に関わりなく進展する。殆どの科学的発見は常識的理論から導き出されて来ただろうか。

思考実験。 暗中模索の中で、手掛かりを得たい。半導体とはどんな性質なのかを探りだしたい。決まり切った解説からは新たな手掛かりを得ることは難しかろう。少しでも無理に物理的意味を捉えたいとすれば、上に考えた『疑問』を具体的にすることかと思う。問答実験で別に取上げる。

トランジスタの熱勘定

物理学における『熱』が極めて重要な意味を秘めているように思われて来た。その熱の意味をトランジスタの熱勘定として考えてみたい。半導体物理学の解釈理論はとても難しい。まず挙げれば、フェルミレベルと言う用語が有る。それはダイオードはじめ、トランジスターの熱特性あらゆる半導体理論(バンド理論)の根幹をなす基本用語である。そんな基本用語も意味を理解できない。難しい理論はその具体的空間像が示されていない。高度な抽象化が理論の価値が高いと見做されているように見える。半導体結晶が有り、その原子結合の空間的解釈が電子質量の運動エネルギーの増減で捉え、不純物原子によるシリコン原子結合配列の乱れを引き起し、その結晶原子配列内の電荷配分の乱れを原因として、その状況をバンド理論と言う表現形式で捉えていると思う。理論が理解できないのに、その意味を言葉で表現し、解釈しようとする事自体が無理なのであるが、自分なりにバンド理論の意味を解釈して見ればそんな意味かなと思う。しかし、代弁してみても理論の意味が理解できない。不純物原子の量をどの程度に増減すれば、『フェルミレベル』がどのように変動すると言う実験的データが得られれば、それは信じられる。しかしそんな事は全く出来ない事であろう。だから「バンド理論」は仮想的な解釈理論でしかなかろう。技術開発はおそらくそんな理論など無くても、進展するものであろう。何十年も前に感じた疑問の一つを思い出した、それがトランジスタ回路のTrのコレクタ側のnp結合で熱の吸収が生じる事である。先日ダイオードの電荷分離作用は何か?(クーロンの法則を斬る)で課題として残しておいた疑問が切っ掛けである。トランジスタで、2SC・・型のnpn接合等のコレクタ部で、吸熱現象が起きるようだ。

吸熱現象とダイオードの作用 バンド理論で、その熱の行方や現象が説明できるだろうか。今でも矛盾概念としたにもかかわらず、電圧や電流でしか説明のしようがない。そこで、コレクタ電流I_c 、ベースコレクタ間の電圧V_cb とすれば、コレクタ側の接合部の電力は I_c V_cb で、電力が負となる。それは電圧が負で、そのダイオード結合部(np接合)に電流I_cをコレクタからベース方向に流すには無理である。その順方向はベースからコレクタ側に流す向きの筈である。そのnp接合部は電流が流れない筈である。何故逆向きのONでありながら、反対向きのコレクタ電流が流れる事になるのか。普通のダイオードの導通原理と逆であるから。その訳が理解できない。その電流導通の為に熱エネルギーが必要となっていると看做せよう。ここに熱エネルギーと電気エネルギーが同じものと観える。古い技術の三極真空管が有る。それは熱陰極で、カソードからの放射エネルギー(電子と考えていた)が熱エネルギーと思えば、真理に繋がる解釈になるという思いが強まり、希望が見える。

消えた記事のうち、重要と思う事を記したい。『熱エネルギー』と『電気エネルギー』あるいは『光エネルギー』はすべて同じく、違いの無い『エネルギー』である。その『熱現象』をIT検索すれば、『ペルチエ効果』、『トムソン効果』あるいは【ゼーベック効果】等が出て来る。トランジスタの熱現象と同じく、全てが『電荷』概念で説明されている。それらの『熱現象』が利用されているから、サーモスタット等で電化製品の温度制御も可能なのである。現象が利用できれば、その経済的競争と利益に役立つ。しかし、教育にその現象を取り入れたとき、「何故か?」と言う『問答』が欠けている。何故、『熱』と『電荷』が結びつくのか?の『問答』がない。エボナイト棒の摩擦による熱エネルギーと同じ意味で。未来の子供たちが深く自然を見つめて、考える未来の為に『問答』が欠かせない。教育現場と体制が、内容を増やした詰め込み教育で済ませば、深い思考に繋がる意識を阻害するのである。兎角理論は怪しい事を訴えたい。