ハイテク機器からごく普通の機器まで、ソリッドステート デバイスは制御部品として使われています。 その広範な使用は、人間のすべての感覚とのインターフェイスに利用できるという事実と関連しています。 発光ダイオード (LED) や固体レーザーは、視覚とのインターフェイスであるあらゆる種類のディスプレイで使用される光を生成します。 固体デバイスの最初の応用は、聴覚とのインターフェイスであるラジオやアンプに使われるトランジスタであった。 熱電変換素子は、固体素子でありながら加熱や冷却が可能であり、触覚とのインターフェイスを持つ。 固体デバイスは匂いや味を発しないが、匂いや毒性のある物質をモニターするセンサーとして利用することができ、嗅覚や味覚とのインターフェイスを持つ。 情報革命がもたらした現代の時間感覚は、ある意味、固体デバイスに端を発している。 8インチのシリコン・ウェハー1枚に100億個以上の部品が製造されているのです。 1940年代には、単純なソリッドステートデバイスの仕事は、真空管と機械式リレーで行われていた。 (真空管の面積が1平方インチだとすると、8インチのウエハーに収まる100億個のデバイスは、6.5平方キロメートルを占めることになる……」。） 1947 年にベル研究所でトランジスタが発明されると、電子時代の到来を告げ、電話やラジオに始まり、小型で高速なコンピュータ、より効率的な照明、太陽から電気エネルギーを採取する手段など、さまざまなものが提供されるようになりました。 絶縁体は、典型的にはSiO2で構成され、デバイスのある部分から別の部分への電流の流れを遮断する。 半導体は、シリコンやシリコンに関連する材料が代表的で、固体デバイスの主要材料であり、荷電キャリア（電子または正孔）の数や流量を制御する。 正孔は電子が抜けたときにできるため、正の電荷を帯びる。 デバイスの電気的接続には、アルミニウムや銅などの金属が使用される。 固体デバイスの設計、動作、製造は、一般に物理学および工学の分野である。
導体、半導体、および絶縁体の違いは、電子 (または正孔) が結晶材料中をどれだけ容易に移動できるかに左右されます。 電子の移動（非局在化）、すなわち特定の原子上あるいは原子間の局在は、化学結合によって決定される。 結晶では、孤立した分子の2つの原子間の結合相互作用だけでなく、多数の原子間の繰り返し結合相互作用を考える必要がある。
図1に象徴的に表した二水素分子H2と仮想の一次元水素結晶Hnの結合の相似を考えてみよう。 各水素原子は1つの原子軌道に1個の電子を持っている。 このような原子を2つ組み合わせると、電子は結合分子軌道σで共有され、軌道は互いに同位相となる。 また、より高いエネルギーでは、2つの軌道が互いに位相のずれた反結合軌道σ*が作られる。 電子配置が結合分子軌道を満たし、反結合分子軌道を空にすると、安定した結合状態になります。
約無限の数の原子が集まって結晶を形成すると、無限個の軌道と対応する電子が一緒に運ばれてくるのです。 これらの軌道がすべて同位相であるとき、最もエネルギーの低い結晶軌道が得られる。 これらの軌道がすべて位相がずれているとき、最もエネルギーの高い結晶の軌道が得られる。 しかし、原子の数が無限に近いため、原子軌道の数も無限に近く、最結合準位と最反結合準位の中間のエネルギーを持つ結晶軌道が無限に近く形成されているはずである。 この結晶軌道の集まりをエネルギーバンドと呼びます。
各バンドは、ペットボトルに砂を入れるのと同じように電子を充填することができます。 その砂のボトルが完全に満たされていれば、傾けても、逆さにしても、砂粒は動きません。 一方、ペットボトルに砂が入りきっていない場合（部分的に入った状態）、ペットボトルを傾けると砂粒は簡単に動いてしまいます。 このとき、砂粒は一箇所に局在しているのではなく、上面全体に非局在化している。 それと同じように、部分的に充填されたバンドの電子は、結晶全体に非局在化され、電気を通すことができる。 3941>
伝導性を理解する
金属伝導体とは、部分的に充填されたバンドを持つ物質です。 電子をバンド内の充填準位から空準位に移動させるのに、ほとんどエネルギーがかからないため、フェルミ準位にエネルギーギャップがなく、高い導電性が得られます。 金属導体の温度を下げると、結晶中の原子の熱運動が遅くなり、電子が動きやすくなるため、導電性が高くなります。
これに対して、半導体も絶縁体も、すべての電子バンドが完全に満たされているか、完全に空になっているバンド構造を持っています。 実際の結晶は、水素の例とは異なり、複数の軌道を持つので、電子バンド構造を作るバンドが複数存在することになります。 フェルミエネルギー以下では電子で満たされたバンドが発生し、それ以上のエネルギーでは空っぽのバンドが発生する。 電子で満たされたバンドの最も高い部分と空のバンドの最も低い部分のエネルギーの差がバンドギャップである。 絶縁体と半導体の違いは、バンドギャップの大きさである。 バンドギャップが約3.5eV以下の物質は半導体とされ、それ以上の物質は絶縁体とされる。
半導体に十分なエネルギーを与えると、電子は価電子帯から伝導帯に昇格し、価電子帯には正孔も生じます。 伝導帯に昇格した電子や価電子帯に残った正孔は、結晶中で非局在化し、電子伝導を起こすことができる。 この導電性の大きさは、半導体に供給されるエネルギーによって強く決定される。 このため、半導体の伝導度は温度の上昇とともに増加します。
半導体の化学
半導体の特性は、材料の元素組成、その構造、および不純物の存在によって決まります。 一般にドーパントと呼ばれる不純物は、純粋な材料自体に内在する特性とは異なり、半導体に外在的な特性を付加します。 14族元素の炭素、シリコン、ゲルマニウム、スズは、図3aに示すようなダイヤモンド型の結晶構造をとることが見出される。 この他にも、例えばグラファイトとダイヤモンドは、同じ炭素という元素の異なる結晶構造であることがわかる。 炭素はその大きさと軌道エネルギーから、非常に
強い結合を形成するため、ダイヤモンドでは結合帯と反結合帯の間に大きなエネルギー分離が存在する。 その結果、バンドギャップが6.0eVと大きくなり、ダイヤモンドは絶縁体となっています。 一方、重い元素（シリコン、ゲルマニウム、スズ）同士の結合はそれほど強くないため、バンドギャップは周期表の列が下に行くほど小さくなり、シリコン：1.1eV、ゲルマニウム：0.7eV、グレイスズ：0.1eVとなります。 さらに、13°C (55°F) 以下の温度では、スズは結晶転位を起こし、金属なのでバンドギャップのない白スズの構造になります。
化合物半導体は、複数の元素で構成されており、バンドギャップの大きさを化学的に調整する能力を備えています。 典型的な化合物半導体は、周期表の 13 族と 15 族の元素を組み合わせたものである。 これらの化合物半導体は、ダイヤモンド型の結晶構造をとるが、結晶ネットワーク内の原子の種類を交互に変えている（図3b）。 アルミニウムやリンなど、1原子あたり平均4個の電子を持つ3価と5価の元素を組み合わせると、4価のシリコンに近い性質を持つ物質が得られる。 ただし、リンの軌道はシリコンよりもエネルギーが低く、アルミニウムの軌道は高いため、化合物半導体であるAlPのバンドギャップは3.0eVと大きくなっている。 重い元素であるガリウムとヒ素を組み合わせるとガリウムヒ素（GaAs）になり、そのバンドギャップは1.4eVとなる。 12族と16族の元素を組み合わせても同様の化学反応が起こり、例えば硫化亜鉛（ZnS）とセレン化カドミウム（CdSe）という半導体ができ、それぞれ3.8eVと1.8eVのバンドギャップがあります
半導体中のドーパント 電子グレードの半導体の純度は99.999%以上でなければならない。 しかし、不純物の量や種類を制御することで、半導体の特性を微調整することができる。 例えば、4個の価電子を持つシリコンに5個の価電子を持つリンを不純物として加えると、リン1個につき1個の電子が追加され、結晶が大きくなる。 つまり、リンはシリコンのドナーになる。 ドーパントのリン原子は、結晶中のシリコン原子を置き換えますが、結晶構造全体やバンド構造は変わりません。 しかし、価電子帯はすでに満杯だったため、余分な電子は伝導帯に入る必要があります。 これによって、n型半導体が得られる。 逆に、シリコンにアルミニウムをドープすると、電子が1個少なくなりすぎて、アルミニウム1個につき1個の正孔が価電子帯に残ってしまう。 つまり、アルミニウムはシリコンのアクセプターとなる。 電子を失った正孔はプラスの電荷を帯び、p型半導体を形成する。 ドナー準位と伝導帯、またはアクセプタ準位と価電子帯のエネルギーギャップが非常に小さいため、これらのドープされた半導体の伝導率は、真性半導体よりも高く、温度依存性は非常に小さくなります。 p型半導体のフェルミ準位はn型半導体のそれよりもエネルギー的に低い。 p型半導体とn型半導体を接合すると、界面で正孔と電子が結合し、共通のフェルミ準位が形成される。 この接合部の空乏領域にはキャリアは存在しない。 p-n接合のp型側に正の電圧、n型側に負の電圧をかけると、正の電圧によって正孔が
マイナス極に、負の電圧によって自由電子がプラス陽極に押し出され、電流が流れるようになるのである。 一方、電池を逆に接続すると、空乏ゾーンが大きくなります。接合の p -側にかかる負の電圧は正孔をより多くその電極に引き寄せ、n -型半導体にかかる正の電圧は電子を電極に引き寄せ、接合から遠ざけて、より大きな空乏ゾーンを残すからです。 その結果、フリーキャリアが存在しなくなり、電流が流れなくなる。 この p-n 接合は、ダイオードとして知られる最も単純な固体デバイスを形成しています。 ダイオードは、本質的に電子伝導の一方通行弁である。 このようなデバイスは、多くの電子機器に必要な、交流を直流電流に変換する電源において非常に重要である。 交流の電気回路にダイオードを1個接続すると、正負いずれかの電圧の振れを遮断することができ、半整流と表現されます。 図6のようにダイオードを4個接続すると全波整流となり、交流を直流電流に変換することができる。 この回路にコンデンサを追加すると、実際のデバイス動作のために電圧振動が滑らかになります。
電流が任意のp-n接合に渡されると、伝導帯を移動する電子または価電子帯を移動するホールは、バンドギャップを越えて、それぞれホールまたは電子に組み換えることができる。 この再結合は、主に外部電圧によってダイオードのp型領域に押し出された電子とn型領域に押し出された正孔に対して起こる。 電子と正孔がバンドギャップを越えて再結合すると、エネルギーが放出され、多くの場合、バンドギャップのエネルギーに等しい光子が放出される。 バンドギャップが1.8eVから3.1eVの半導体は、可視光（赤から紫）の光子を放出する。 これがLEDである。 実際には、すべてのダイオードが発光しますが、ほとんどのダイオードは可視光線のエネルギーより小さいバンドギャップを持っています
その結果、ほとんどのダイオードは赤外光線を放出します。 このような赤外線放射は、多くのリモコン装置で信号伝達のために使用されている
トランジスタ。 トランジスタは、固体スイッチングおよび増幅デバイスであり、1947年に発明され、20世紀後半のエレクトロニクス革命の真の始まりとなった。 n-p-nバイポーラトランジスタは、薄いp型半導体の両側にn型半導体を接続したものである。 図7に示すように、このトランジスタは、10Vの電源に接続された回路のスイッチとして機能する。 ベース（接点B）に小さな負電圧をかけると、p型半導体から正孔が取り除かれ、絶縁障壁が形成される。 これは、2つのp-n接合に誤った方法で電流を流そうとするのと同じ過程である。 その結果、どの接点間にも電流は流れない。 しかし、ベースの接点に小さな正の電圧をかけると、コントロールループに電流が流れる（エミッタからベースへ向かう電子）。 エミッタ（接点E）とコレクタ（接点C）間に供給される電圧はベース電圧よりはるかに大きいので、電子の大部分は薄いp型層を通過し、より大きなコレクタ電流を与える。 ベース電流が小さく、コレクター電流が大きいので、同じ固体素子でも信号増幅器として使用できる。 コレクタ電流とベース電流の比は、あるデバイスでは基本的に一定である。 ベース電流はベース-エミッタ間電圧（B-E間電圧）に、コレクタ電流はエミッタ-コレクタ間電圧（E-C間電圧）に比例するので、例えばマイクからBEループに入力される電圧の小さな振動は
ECループの電圧の大きな振動に増幅されて、スピーカーに接続することができるようになるのです。
半導体のさまざまな組み合わせで多くの異なる固体デバイスを製造できますが、デバイスの動作は、半導体を構成する元素の化学反応に強く依存します。 半導体を構成する元素間の結合は、電子バンド構造とバンドギャップの大きさを決定する。 また、価電子の数によってバンドギャップが決まり、電子特性が決まる。 現在も、新しい用途の半導体を発見するための研究は続けられている。 さらに、結晶材料に基づく固体デバイスから単一分子デバイスへの移行を目標に、より小型のデバイスを設計するために多大な努力が払われている。 “The Computer as a Materials Science Benchmark”. Journal of Chemical Education 75:297-312.
Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; and Robinson, William R. (1993). ティーチング・ジェネラル・ケミストリー: A Materials Science Companion. Washington, DC: アメリカ化学会.
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