無機材料工学と半導体の基本

無機材料工学は、無機物質を研究し、それを応用した材料の開発を行う分野です。半導体はその中でも特に重要な材料であり、トランジスタやダイオードなどの電子デバイスに使用されます。半導体の特徴は、導体と絶縁体の中間的な性質を持つことです。これにより、電気を通すことができる一方で、特定の条件下では電気を通さないという特性が生まれます。

半導体の基本用語

まず、半導体に関連する基本的な用語をいくつか紹介します。

– **バンドギャップ**: 半導体の導電帯と価電子帯の間のエネルギー差を指します。このバンドギャップの大きさによって、半導体の性質が決まります。
– **ドーピング**: 半導体に不純物を添加することで、その電気的特性を変化させるプロセスです。これにより、n型半導体やp型半導体が生成されます。
– **n型半導体**: ドーピングによって電子が多数存在する半導体です。主に、リンやヒ素などの元素が使われます。
– **p型半導体**: ドーピングによって正孔（ホール）が多数存在する半導体です。主に、ホウ素などの元素が使用されます。

半導体の種類と用途

半導体にはいくつかの種類があり、それぞれ異なる特性を持っています。一般的な半導体材料には、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ガリウムヒ素（GaAs）などがあります。

シリコンは最も広く使用されている半導体であり、コンピュータやスマートフォンのプロセッサー、メモリチップなどに使用されています。ゲルマニウムは、特に高周波のデバイスに適しており、古いトランジスタやダイオードに利用されてきました。ガリウムヒ素は、高効率の太陽電池やLEDに使用されることが多いです。

半導体の製造プロセス

半導体の製造プロセスは非常に複雑で、以下のようなステップを経て行われます。

1. **ウェハ製造**: シリコンなどの材料から薄い円盤状のウェハを作成します。
2. **フォトリソグラフィ**: ウェハの表面に光感応性の材料を塗布し、特定のパターンを形成します。
3. **エッチング**: 不要な部分を化学薬品で削り取ることで、デバイスの構造を作ります。
4. **ドーピング**: 不純物を導入し、n型またはp型半導体を形成します。
5. **金属接続**: 最後に、電気的接続を行うために金属を蒸着します。