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謎(p n 接合は何故エネルギーギャップ空間か)

『エネルギー』の存在形態を尋ねる旅。半導体はエネルギー変換制御に欠かせないスイッチング素子である。電力制御とは『エネルギー』制御である。三相交流回路の瞬時空間ベクトル解析で、スイッチング機能を回路定数サセプタンス化して解釈する意味を考える。その基礎考察で半導体の意味を理解したい。電力系統のスイッチング機能を担う半導体のp n 接合 とはどんな物理的意味を持っているかが分からない。その動作原理を『電荷』に頼れないとすれば、『エネルギー』に頼るしかない。専門家は良く解って居られることだ。しかし私は理解できないから困っている。何とか、まとめ に結論と覚悟した。

エネルギーギャップ 素人なりのp n 接合の意味をダイオードを例に考えた。p型半導体とn型半導体の接合部にどんな現象が起きるのか。理解力の低い頭にはフェルミレベルという専門用語さえ理解できないのである。単純な頭で考える単純な考えは、『エネルギー』の内部分布しか思い当らない。そんな意味を図に表現してみた。エネルギーギャップと電圧の間に謎を解く鍵がないかと期待する。エネルギーは高密度部から低密度部へ流れると考えたいが、乾電池に蓄えられる『エネルギー』は内部では消耗しないで、必ず外部負荷を通して消費する。乾電池も『電荷』では理解できないので、考える謎解きの旅でもある。

まとめ 過去の記事をまとめて確認しておきたい。エネルギーギャップという意味に至るまでの過程も見たいから。最近の記事から古い記事の順で。電気回路スイッチもエネルギーギャップを支える機能要素と解釈する。コンデンサの場合も、エネルギー貯蔵のそのエネルギー空間形態をどのように理解するかも確答できずにいる。スイッチとはエネルギーギャップのスイッチング機能要素と看做せるだろう。その解釈をダイオードのスイッチング作用に広げて捉えた。接合部にエネルギー準位差が生じると、丁度スイッチオフの状態と同じ働きを呈すると考えた。単1乾電池もエネルギー貯蔵庫で、そのエネルギーが内部でオフ状態を保持しているように思える。外部でエネルギーギャップゼロとするような回路接続をすると、エネルギーが流れる。ダイオードのn側にマイナス電源で、エネルギー準位を高める接続により外部回路と電源がつながる状態になる。ダイオードのエネルギーギャップが解消されてスイッチオン状態となる。こんな単純な解釈しかできないのである。難しい『電荷』概念での解釈ができないので止むを得ないかと覚悟した。

(2019/04/02)半導体追加。

  1. 半導体とバンド理論を尋ねて (2018/05/14)
  2. トランジスタのオン・オフ機能と理論の間に (2o17/05/23)

半導体とエネルギーギャップ

  1. ダイオードの機能 (2016/09/17)
  2. 電気回路とスイッチの機能
  3. 物質のエネルギー準位
  4. 問答実験
  5. 半導体とバンド理論の解剖
  6. トランジスタの熱勘定 (2013/01/30)

電圧とエネルギー

  1. 電圧ーその意味と正体ー (2016/05/15)
  2. 電池電圧と『エネルギーギャップ』
  3. 電池の原理を問う
  4. 電圧ー物理学解剖論 (2011/12/14)

 

 

物質のエネルギー準位

科学漫遊の旅から観えて来たことがある。世界に存在する物質は、すべてそれぞれ特有の『エネルギー準位』を持って存在すると言えるように思う。しかもそれはその存在する環境(温度、圧力など)によって変化する。比熱、誘電率、膨張率など様々な物理的特性によってその『エネルギー準位』の様相が特徴づけられる。物質同士の接合、接触によって特徴的な様相を示す。その一つに『触媒』の不思議も挙げられよう。『エネルギー準位』とは必ずしもその物質の保有するエネルギーと断定できなかろう。その物質がその外部空間に存在する物質に対して影響する空間へのエネルギーの支配力のように思える。基本的に物質の保有エネルギーはその質量自体もエネルギーの局所化したものであり、質量の基はエネルギー(光など)そのものであるから。

半導体のエネルギー準位 半導体で、p型とn型半導体に分けられる。シリコンSiに前後の周期律元素を添加すると、その混合結晶の間にエネルギー準位の違いが発生すると考える。その接合面で、エネルギー準位の差、即ち『エネルギーギャップ』が生じると考える。それぞれp型半導体とn型半導体の抵抗率はどんな値かと思って検索するが、p型だけは5.0 Ωcm とあるがn型は幾らか分からない。どうしても『フェルミレベル』の解釈では理解できずに勝手に自己流の解釈で評価したくなった。『疑問』は教育的な意味で生徒学生に提示する有効な意味にもなろうかと思う。当然現在の理論を解説したうえでの事ではあるが。その事は学生に考える手立てや研究の励みを与える事にもなろう。(2017/05/17)修正。