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第三種電気主任技術者の過去問 令和3年度(2021年) 理論 問11

問題

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半導体に関する記述として、正しいものを次の( 1 )〜( 5 )のうちから一つ選べ。
   1 .
ゲルマニウム(Ge)やインジウムリン(InP)は単元素の半導体であり、シリーコン(Si)やガリウムヒ素(GaAs)は化合物半導体である。
   2 .
半導体内でキャリヤの濃度が一様でない場合、拡散電流の大きさはそのキャリヤの濃度勾配にほぼ比例する。
   3 .
真性半導体に不純物を加えるとキャリヤの濃度は変わるが、抵抗率は変化しない。
   4 .
真性半導体に光を当てたり熱を加えたりしても電子や正孔は発生しない。
   5 .
半導体に電界を加えると流れる電流はドリフト電流と呼ばれ、その大きさは電界の大きさに反比例する。
( 第三種 電気主任技術者試験 令和3年度(2021年) 理論 問11 )
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この過去問の解説 (2件)

1

この問題は、真性半導体及び不純物半導体に関する記述で正しいものを選択する問題です。

選択肢1. ゲルマニウム(Ge)やインジウムリン(InP)は単元素の半導体であり、シリーコン(Si)やガリウムヒ素(GaAs)は化合物半導体である。

問題文にある物質は半導体の物質ではありますが、

単元素半導体と化合物半導体が正しく分類されていないため誤りです。

正しい分類は、単元素半導体がゲルマニウム(Ge)とシリーコン(Si)、

化合物半導体がインジウムリン(InP)とガリウムヒ素(GaAs)です。

選択肢2. 半導体内でキャリヤの濃度が一様でない場合、拡散電流の大きさはそのキャリヤの濃度勾配にほぼ比例する。

半導体は、キャリアと呼ばれる電荷が移動することで電流が流れます。

従って、半導体内のキャリア濃度に差がある場合、

濃度が均一になるようキャリアが動くため拡散電流が発生します。

以上のことより、キャリア濃度と拡散電流の大きさに同等の比例関係が想定されることから、

この選択肢は正しいです。

選択肢3. 真性半導体に不純物を加えるとキャリヤの濃度は変わるが、抵抗率は変化しない。

真性半導体とは、不純物を添加していない単元素の半導体を示しています。

利用される物質にはシリコンやゲルマニウムがあり、それらを周期表で見ると14族(最外殻電子が4価)に分類されています。

原子単体では不安定なシリコンですが、原子同士が互いに最外殻の電子を共有することで、安定を保っています。

この結合を共有結合といい、結合の中で最も強力な結合で結晶が作られているので、キャリアの移動が一切ないため絶縁体に分類されています。

ここに不純物として13族(3価)のホウ素やガリウムを添加すると、共有結合できない場所ができ、キャリアが動ける状態となります。

(スライドパズルをイメージしてみてください。)

また、15族(5価)のリンやヒ素を添加すると共有結合を求めてキャリアが動くことになります。

(イス取りゲームをイメージしてみてください)

いずれの場合にも「キャリアが動く」ため「電流が流れる」ことになり、「電流が流れる」ということは「抵抗率が下がった」と考えられるようになるので、

この選択肢は誤りです。

選択肢4. 真性半導体に光を当てたり熱を加えたりしても電子や正孔は発生しない。

真性半導体の特性の1つに、価電子帯にある電子を熱エネルギーや光エネルギーで伝導体まで励起できるというものがあります。

「電子が移動する=正孔(ホール)が発生する」ということなので、この選択肢は誤りです。

選択肢5. 半導体に電界を加えると流れる電流はドリフト電流と呼ばれ、その大きさは電界の大きさに反比例する。

問題文にもある通り、ドリフト電流とは電界が与えられたことで生じる電流と定義されています。

半導体は電界を与えると電圧が発生します。

電界により発生した電圧と電流の関係はオームの法則が成立するため、「電界と電流は比例関係にある」と解釈することができます

よって、この選択肢は誤りです。

まとめ

以上の解説のとおり、正解は(2)となります。

(2)の理解に自信がなかったとしても、他の選択肢が明らかな誤りであることに気付ければ、消去法で解答することもできます。

付箋メモを残すことが出来ます。
1

1.単元素半導体・・・一つの元素で構成される半導体(Si、Ge等)

 化合物半導体・・・複数の異なる元素で構成される半導体

インジウムリンは化合物半導体、シリコンは単元素半導体です。

→誤りです。

2.半導体内の拡散電流密度は、電子の拡散係数、ホールの拡散係数に比例します。

よって濃度勾配に比例します。

→正しいです。

3.真性半導体に不純物を加えたもの(P型半導体、n型半導体)は自由に動ける電子やホールが存在しているため、抵抗率が変化します。

→誤りです。

4.真性半導体に光を当てると価電子帯の電子が励起され、電子が高いエネルギー準位に移動されるため価電子帯から伝導体に移動します。

電子は移動するため、電子が抜けた個所には正孔が発生します。

→誤りです。

5.電場が与えられたことで生じる電流の移動であり、ドリフト電流密度は電場の大きさに比例します。

→誤りです。

よって正解は2です。

問題に解答すると、解説が表示されます。
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