導体・半導体・絶縁体の違い：バンドギャップ・抵抗率・温度特性を比較
導体・半導体・絶縁体の違いは、電気を運べる電子がどれだけあるかで決まり、それはバンド構造で説明できます。金属は伝導帯が電子で部分的に満たされていて、もともと多くの自由電子があります。絶縁体はバンドギャップが大きく、室温では電子がほとんど伝導帯に上がれません。半導体はその中間で、バンドギャップが1 eV前後と適度なため、温度や光、不純物の添加によって電気の流れやすさを大きく変えられます。
| 項目 | 導体(金属) | 半導体 | 絶縁体 |
|---|---|---|---|
| バンド構造 | 伝導帯が電子で部分的に満たされている(または価電子帯と伝導帯が重なっている) | 価電子帯は満ちていて、伝導帯との間に適度なバンドギャップがある | 価電子帯は満ちていて、伝導帯との間に大きなバンドギャップがある |
| バンドギャップの目安 | なし | 1 eV前後のものが多い(Siは約1.12 eV、Geは約0.66 eV、GaAsは約1.42 eV)。SiCやGaNのように3 eVを超えるワイドバンドギャップ半導体もある | 大きい(SiO2は約9 eV) |
| 室温の抵抗率の目安 | とても低い(銅で約1.7×10⁻⁶ Ω·cm) | 中間で、不純物の量によって何桁も変わる(純粋なシリコンで10⁵ Ω·cm台) | とても高い(SiO2などで10¹⁴ Ω·cm以上) |
| 電気を運ぶキャリア | 自由電子。1 cm³あたり10²²個以上(銅で約8.5×10²²個) | 伝導帯の電子と価電子帯の正孔の2種類。不純物の添加で密度を大きく変えられる | ほとんどない |
| 温度が上がると | 抵抗が増える(格子振動による散乱が増えるため) | 純粋な半導体では抵抗が大きく下がる(熱で生まれるキャリアが急に増えるため) | 抵抗は非常に高いままだが、高温ではわずかに下がる |
| 不純物を加えると | 導電率はほとんど変わらない(わずかに抵抗が増える) | ごく少量で導電率が何桁も変わり、n型とp型を作り分けられる | 絶縁性を保つことが求められ、不純物や欠陥は漏れ電流の原因になる |
| 光を当てると | ほとんど変わらない | バンドギャップより大きいエネルギーの光でキャリアが生まれ、電流が増える(光導電) | 可視光ではほとんど変わらない(SiO2は可視光を通す) |
| 代表的な材料 | 銅、アルミニウム、金、タングステン | シリコン、ゲルマニウム、GaAs、SiC、GaN | SiO2、窒化シリコン(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)、樹脂 |
| 半導体デバイスでの役割 | 配線、電極、コンタクト、ボンディングワイヤ | トランジスタやダイオードなど、電流を制御する部分 | ゲート絶縁膜、配線の間の層間絶縁膜、素子分離、保護膜 |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。