タグ別アーカイブ: 半導体

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)

 

 

周期律表と抵抗率

(2020/4/21)追記。ようやく“抵抗”の物理的構造解釈に辿り着いた。電気回路要素の『エネルギー』処理機能に抵抗の次元[(H/F)^1/2]と繋がった。

長年電気現象に向き合い、その意味を考えて来て、今改めて考えてみようと思った事は『オームの法則』で対象とする『電気抵抗』とは何かと言う『問答』である。電気回路に使われる回路要素として、その電気材料に思いが行くのも止むを得ないかと。導電材料、抵抗材料、絶縁材料あるいは半導体材料と様々の物がある。そこで周期律表の中での元素の抵抗率を比べてみた。

周期律表内の抵抗率

周期律表と抵抗率周期律表と抵抗率 各元素の抵抗率をIT検索で調べて、その大まかな値を周期律表に書きこんだ。その中で、際立っている元素を丸○で囲んだ。炭素、ケイ素そしてゲルマニュウムのダイヤモンド結晶構造元素そこにセレンの半導体系元素。さらに、絶縁性の元素燐、硫黄に丸印を点けた。なかでも半導体元素の珪素Siが殆ど絶縁材料のような高抵抗率である点に注目したい。

抵抗率とは 各種物質の性質:金属の電気抵抗 に様々な元素の解説がある。それは所謂体積抵抗率とも言われる抵抗体の体積からの意味である。

抵抗率とは抵抗率とは 一言付け加えておきたい事がある。図の抵抗体の構造から、抵抗体の内部断面を電流が流れるという解釈からの抵抗率の定義である。電流は流れずという新しい解釈からすれば、抵抗体の意味は抵抗体表面からエネルギーが内部に流れ込むと解釈しなければならないことになる。その抵抗に掛かる電圧の意味はどのような『電気物理』の解釈でなければならないかとなろう。そこには空間エネルギー分布の解釈が要請される筈だ。

抵抗とは何か それを考える為に先ず周期律表でまとめてみた。

太陽電池の解剖

半導体の利用分野に太陽電池がある。エネルギー源としての太陽光発電である。太陽光を電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置である。そこに半導体が使われる。アモルファスSiと言うシリコンの結晶構造でない非晶質体が利用されているようだ。太陽電池の単位セルの構造や製造過程も企業毎にいろいろ違いがあるようだ。基本接合はpin構造で、p型とn型で、i型(真性半導体)が挟まれた構造になっているようだ。従ってその場合には、pn接合には成っていない訳である。半導体の特性は、そのpn接合部での『電子』と『正孔』の云々というバンド理論で解釈される筈であるが、pin接合ではそんなバンド理論の説明は困難であろう。しかし、それでもそんな太陽電池の解説には相変わらず同じ論理の説明がなされている。全くその解説では、半導体の動作原理を理解することができない。理解できる人は自分から見ればやはり科学論の天才に思える。しかし本当の気持ちは複雑だ。IT、量子力学論の科学書等何処を見てもバンド理論であり、フェルミレベルである。誠に恥ずかしい自分の未熟さを曝さなければならない。半導体とバンド理論の解剖に始まった関連論である。

光電変換と空間構造 光のエネルギーを電気のエネルギーに変換して、エネルギー源とする方式である。光は光自身がエネルギーである。電気エネルギーも同じ一つの『エネルギー』である。『エネルギー』は光も、電気も違いは無い。太陽電池と言う半導体構造体の中で、光が光形態から目に見えない空間伝播(電気)エネルギーに変換されただけである。その変換過程に半導体と言う特殊な空間構造体を介して光が直接エネルギー変換作用を受けただけである。そのエネルギー変換過程に半導体の接合組み合わせがどのような機能を発揮しているかが物理学として解明されていないだけなのである。真実は理論解明されていない。科学技術が理論解明されることを待ち望んでいると観て良い。揚羽蝶の翅の光変換と同じ意味合いを半導体構造の中に秘めているとしか考えられない。色の世界を尋ねてに可視光線間の変換を空間の「Color cell」で解釈することを述べた。半導体内で光エネルギーが貯蔵され、別形態のエネルギー放射(いわゆる電気)に変換されると解釈すれば良い。全ては実在する『半導体空間構造』に秘められている。何も『電子』や『正孔』などと言う実在しない概念を持ち出す必要はない。この『エネルギー』と言う一つの実在物理量を感得できるかである。

『電子』『正孔』説の論理的欠陥 量子力学では、エネルギーを原子構造の外殻周回電子群が運動エネルギーの増減をするという軌道変換で解釈している。その時は電子質量を運動エネルギーの基礎に据えている。しかし、バンド理論や電流概念においては、電子の質量等全く論理外に置かれている。電子流で電流を解釈する時、電流値は電荷の時間微分で定義する。しかし、電子を電流の基礎に据えるなら、電子に付随する質量も一緒に考えなければならない筈だ。それでは電荷の時間微分と同じく、質量の時間微分も同時に論理の中に組み込もうとすれば、その意味をどう繕うのだろうか。質量/時間=dm/dt[kg/s]はどんな電気的解釈に繕うのか。電子科学論の無責任。持論で誠に恥ずかしい。