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半導体と導体・絶縁体の違いとは?それぞれの電気的特性を比較

半導体は、その名前からして導体と何らかの関係があることが伺えます。また導体といえばその対となる存在に絶縁体がありますし、絶縁体と半導体もまったく関連がないものとはいえません。

そこで本記事では、半導体と導体および絶縁体がどのような違いを持つのか、それぞれの特性を比較しながら解説していきます。

 別ページ:⇨半導体とは?どういったものかを簡単に解説  

電気抵抗率が異なる

最も簡単な説明をすると、一般的に半導体は「電気抵抗の大きさが導体と絶縁体の間にある物質」であるといえます。そして電気抵抗とは、物質に電気を流したときの電気の流れにくさを表します。

つまり半導体は、金属などの導体ほど電気を流さないものの、ゴムやガラスなどの絶縁体よりは電気を流しやすい物質であるということがいえるのです。

  

なお厳密には電気抵抗率で評価をしなければなりません。なぜなら電気抵抗の値は測定する物質の形状によっても変わるからです。同じ素材でも、長いものと短いものとでは長いものの方が抵抗の生じる場が長くなるため、測定した電気抵抗の値は大きくなります。

そこで通常は、単位断面積・単位長さあたりの電気抵抗で比べます。この場合の電気抵抗を「電気抵抗率」と呼び、これにより物質固有の抵抗の大きさを示すことができます。 

よって、導体は電気抵抗率が非常に小さいもの、絶縁体は電気抵抗率が非常に大きいものであり、半導体はその中間的な電気抵抗率を持つ物質であると言い換えることができます。

 

◆電気抵抗率の幅が異なる

電気抵抗率で3者を区別すると、おおよそ以下のようになります。

  • 導体 :10のマイナス6乗[Ω・m]以下
  • 絶縁体:10の8乗[Ω・m]以上
  • 半導体:10のマイナス6乗~10の8乗[Ω・m]

こうしてみると、半導体でカバーされる範囲がとても広いことに気が付きます。

導体であればほとんどの物質が10のマイナス8[Ω・m]程度に分布していますし、やや分布が広がっている絶縁体でも101016乗ほどの広がりです。そのため物質ごとの個体差はそれほどありませんが、半導体では物質によってかなり電気的特性が異なるのです。

 

◆絶縁体にも電気が流れる余地はある

絶縁体といっても、上記のように極端に抵抗が強いだけで、絶対に電気を流さないというわけではありません。非常に大きな電圧が加わった際には漏電が起こり、トラブルになることもあるのです。

そのため絶縁体として機能する物質を用いたとしても、大電圧を用いる場面においては、絶縁性能のテストを行い、その安全性等の確認が行われます。

 

導体にもロスが生じる

他方で、導体にも抵抗が存在します。

これは電力のロスとして表れます。そのため送電には導体が用いられるところ、できるだけ送電中の電力消費を起こさないよう、非常に抵抗が小さい物質を用いることが大切です。

  

電気抵抗率が変化する

半導体が他の物質と異なるのは、定常的な抵抗率のみならず、環境によって「変化が生じる」という点にもあります。特にここで紹介したいのは熱に対する特性です。

基本的に金属だと温度の上昇に比例して抵抗率も上昇します。つまり、温められるとその程度に応じて電気も流れにくくなるのです。

他方半導体はそのままの状態だと絶縁体に近い振る舞いをしますが、温度の上昇に伴い加速的に抵抗率が下がります。逆の傾向を示すうえに、急激な変化が生じるという違いがあるのです。

そのため「半導体とは何か?」という問いに対しては、冒頭で説明したように「電気抵抗の大きさが導体と絶縁体の間にある物質」ということもできますが、もう少し詳細に回答をするなら「そのうえ、電気抵抗率が変化する」ということを付け加えることになります。

   

不純物によって性質が変化する

半導体の電気的特性に変動が生じるのは、熱を加えられたときだけではありません。不純物が混ざったときにも特別な反応を起こします。

 例えば半導体の材料としてはシリコンが代表的ですが、純粋にシリコンのみで構成された結晶と、シリコンの中にほんの少しシリコン以外の原子(不純物)を含ませた結晶とでは、大きく性質が異なります。

不純物のないものを「真性半導体」不純物が添加されたものを「不純物半導体」と呼び、前者は前項で解説したように温度を高めなければ電気を流しません。しかし後者は比較的低温でも抵抗率が低い状態を作り出せます。

   

不純物と聞くと、良くない状態、などと捉えられるかもしれません。しかし半導体においてはあえて不純物を添加させ、扱いやすい状態に変化させるという意味合いが含まれるため必ずしもネガティブな意味にはなりません

もちろん、目に見えてゴミが入っているような状態は良くありませんが、不純物半導体とはこのようなものを指すわけではありません。数百万~数千万以上の原子に対し1個の不純物が含まれるという程度をもって不純物半導体として扱われます。 

 

別ページ:半導体は何ができるモノ?特徴や半導体素子の役割を解説

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