原子の仕組み。電子と電荷、価電子、水素からリン・シリコン・ホウ素まで
半導体の解説では、「電子」「電荷」「価電子」といった言葉が、説明なしに使われることがよくあります。これらの言葉は、物質をつくっている原子の仕組みが分かると、まとめて理解できるようになります。
この記事では、原子の構造と電荷の基本から始めて、原子番号１番の水素から順に元素をたどり、半導体の材料として使われるホウ素・シリコン・リンまでを説明します。
扱うのは、原子をつくる３つの粒子（陽子・中性子・電子）、電気の量を表す電荷、元素の種類を決める原子番号、電子が入る電子殻、ほかの原子との結びつきに使われる価電子、そして周期表の見方です。説明は、半導体の仕組みを理解するのに必要な範囲にとどめます。本文の［1］のような番号は、押すと出典のページが開きます。
原子は、原子核と電子からできている
中心に原子核、そのまわりに電子
物質を細かく分けていくと、やがて原子という小さな粒に行き着きます。原子は、中心にある原子核と、それを取り巻く１個または複数個の電子からできています［1］。
原子核は、さらに陽子と中性子という２種類の粒子からできています。中性子は、陽子とともに原子核を構成する粒子です［2］。もっとも軽い水素の原子核は、陽子１個です［3］。
３つの粒子の電気と重さ
陽子はプラス（正）の電気を、電子はマイナス（負）の電気を持ちます。中性子は、その名のとおり電気を持たない粒子です［2］。
３つの粒子の重さには、大きな差があります。陽子の質量は、電子の約１８３６倍です［3］。中性子の質量は、陽子よりわずかに大きい程度です［2］。
そのため、原子の質量の大部分は、中心の原子核に集中しています［4］。電子は、原子の重さにはほとんど影響しないものの、物質の化学的な性質や電気の通しやすさに大きく関わります［5］。
原子はとても小さく、原子核はさらに小さい
原子の大きさ（直径）は、およそ１０⁻¹⁰メートル、つまり１００億分の１メートル（０．１ナノメートル）です。原子核の大きさは１０⁻¹⁴メートル程度で、原子の直径のおよそ１万分の１しかありません［1］。
日本大百科全書は、この差を野球のボールでたとえています。原子核を直径約７センチメートルの野球ボールとすれば、原子は約７００メートルにあたり、野球場全体が優に入るほどの大きさになります［1］。
電荷とは、物が持つ電気の量
電荷には、正と負の２種類がある
物が帯びている電気、またはその量を電荷と呼びます［6］。電荷には、正（プラス）と負（マイナス）の２種類があります［6］。
同じ符号の電荷どうしは反発し合い、反対の符号の電荷どうしは引き合います［7］。負の電荷を持つ電子が、正の電荷を持つ原子核のまわりにとどまっているのは、この引き合う力がはたらいているためです。
陽子と電子の電荷は、大きさが同じで符号が逆
陽子の電荷は＋e、電子の電荷は−eと表されます［6］。この e は電気素量と呼ばれる決まった大きさです。陽子の電荷は正で電気素量に等しく［3］、電子は電気素量に等しい大きさの負の電荷を持ちます［5］。
電荷の単位はクーロン（C）です［6］。電気素量の値は１．６０２１７６６３４×１０⁻¹⁹クーロンで、NIST（米国国立標準技術研究所）の物理定数の表（２０２２年のCODATA推奨値）では、この値に「exact」（正確な値）と付記されています［8］。
ふだんの原子は、電気的に中性
原子の中では、陽子の数と電子の数が等しくなっています。原子核の正の電荷と電子の負の電荷が打ち消し合うため、原子は電気的に中性です［1］。
電子が出入りすると、イオンになる
中性の原子が、電子を失ったり受け取ったりしてできる粒子を、イオンと呼びます［9］。電子を失ったものは正の電荷を帯びた陽イオンに、電子を得たものは負の電荷を帯びた陰イオンになります［9］。
電子が移っても、電荷が消えたり、新しく生まれたりするわけではありません。電荷は、自然になくなることも、増えることもありません［6］。これを電荷の保存則と呼びます。
電荷が動くと、電流になる
電荷が運動する現象を、一般に電流と呼びます［10］。金属では、原子から離れて動き回れる電子（自由電子）が電流を運んでいます［5］。
原子番号は、陽子の数
陽子の数で、元素の種類が決まる
原子の種類を表すときは、原子核の中の陽子の数を使います。この数を原子番号と呼びます［3］。水素は陽子が１個なので原子番号１、ヘリウムは２個なので原子番号２です。
原子の化学的な性質は、ほとんどが電子の数、すなわち陽子の数によって決まります［1］。中性の原子では電子の数も原子番号と同じなので、原子番号が分かれば、その原子が持つ電子の数も分かります。
なお、シリコンは英語名（silicon）に由来する呼び方で、日本語の元素名ではケイ素と呼びます。工業的には、シリコンと呼ぶことのほうが多い元素です［11］。この記事でも、シリコンの呼び方を使います。
電子は、内側の殻から順に入る
電子殻：K殻・L殻・M殻
原子の中の電子は、原子核を囲むいくつかの層に分かれて入っていると考えます。この層を電子殻と呼び、内側から順にK殻、L殻、M殻…と名前が付いています［12］。
それぞれの殻に入る電子の数には上限があり、K殻は２個、L殻は８個、M殻は１８個です［12］。内側から n 番目の殻には、２×n²個まで入ります（K殻は n＝１で２個、L殻は n＝２で８個、M殻は n＝３で１８個）。
電子殻は、原子核のまわりの電子の状態を、エネルギーに応じた球の殻として模型的に表したものです［12］。この記事でも、この模型を使って説明します。
電子は、エネルギーの低い殻から順に入る
電子は、エネルギーの低いほうから順に配置されます［13］。原子番号１８のアルゴンまでは、内側のK殻から順に電子が入り、K殻やL殻が上限まで埋まると、次の殻に入ります。
ただし、原子番号１９のカリウムでは、M殻に８個入ったところで、次の電子がその外側のN殻に入ります［14］。この記事では、半導体の材料を理解するのに必要な、原子番号１８までを中心に扱います。
いちばん外側の電子が、価電子
原子のいちばん外側の殻（最外殻）にあり、原子価や化学的な性質を決める電子を、価電子と呼びます［15］。原子どうしが結びつくときに使われるのは、この価電子です［15］。
価電子の数が分かると、その原子が、ほかの原子といくつ結びつきやすいかを推測できます。半導体の材料を考えるときに大事なのも、この価電子の数です。
周期表を、水素からたどる
周期表の見方：横の並びは周期、縦の並びは族
周期表は、元素を性質の周期的な変化に基づいて並べた表で、現在では原子番号の順に並べられています［16］。縦の並びを族、横の並びを周期と呼びます［16］。同じ族に属する元素は、互いに似た性質を持ちます［16］。
周期の番号は、電子が入っているいちばん外側の殻と対応しています。第１周期の元素はK殻、第２周期はL殻、第３周期はM殻が最外殻です。
第１周期：水素とヘリウム
原子番号１の水素は、K殻に電子が１個あります。原子番号２のヘリウムは、K殻に電子が２個あり、K殻が上限まで埋まっています。
このように、１つの殻が入りうる最大限の電子で満たされた状態を、閉殻と呼びます［17］。閉殻の構造を持つ原子は、きわめて安定しています［17］。閉殻の構造にない原子は、閉殻の構造をとるように電子を受け取ったり与えたりして、イオンになります［17］。原子どうしが電子を共有して結びつく方法もあり、後の節で説明します。
第２周期：リチウムからネオンまで（ホウ素は価電子３個）
原子番号３のリチウムからは、K殻の２個に加えて、L殻に電子が入り始めます。リチウムはL殻に１個、原子番号４のベリリウムは２個、原子番号５のホウ素は３個です。ホウ素の電子は、K殻に２個、L殻に３個で、価電子は３個になります。
その先も、炭素（原子番号６）は４個、窒素（７）は５個、酸素（８）は６個、フッ素（９）は７個と、L殻の電子が１個ずつ増えていきます。原子番号１０のネオンで、L殻が８個で埋まります。
第３周期：ナトリウムからアルゴンまで（シリコンは４個、リンは５個）
原子番号１１のナトリウムからは、K殻とL殻が埋まったうえで、M殻に電子が入り始めます。原子番号１４のシリコンは、K殻に２個、L殻に８個、M殻に４個で、価電子は４個です［11］。
原子番号１５のリンは、K殻に２個、L殻に８個、M殻に５個で、価電子は５個です［18］。原子番号１８のアルゴンでは、M殻の電子が８個になります。
右端の列は、ほとんど結びつかない元素
周期表の右端の１８族には、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどが並びます。これらの元素は貴ガスと呼ばれ、日本語では希ガスとも書かれます［19］。
貴ガスは、どの元素も最外殻の電子の配置が閉殻であるため、化学反応性がきわめて低い元素です［19］。ただし、キセノンとクリプトンには、フッ化物や酸化物などの化合物も知られています［19］。化学の学習では、貴ガスの価電子の数は０として扱います。
同じ族の元素は、価電子の数が同じ
１族・２族と１３族〜１７族では、周期表で縦に並んだ元素は価電子の数が同じで、その数は族の番号の一の位と同じになります（１族は１個、１３族は３個、１４族は４個、１５族は５個）。３族〜１２族の元素は、この記事では扱いません。
シリコンは、周期表の１４族に属し、炭素族元素の１つです［11］。同じ１４族のゲルマニウム（原子番号３２）は、K殻に２個、L殻に８個、M殻に１８個、N殻に４個の電子を持ち、シリコンと同じく価電子は４個です［20］。ゲルマニウムは典型的な半導体で、トランジスタやダイオードに用いられます［20］。ただし、資源量が少なく、高い温度での半導体としての性質も劣るため、その大部分の用途はシリコンに置き換えられています［20］。
ホウ素と同じ１３族には、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウムがあります［21］。リンと同じ１５族には、窒素、ヒ素、アンチモン、ビスマスがあります［22］。
族の番号には、新しい呼び方と古い呼び方がある
現在の周期表では、族を左から順に１族〜１８族と呼びます。国際純正・応用化学連合（IUPAC）は、１９９０年の勧告で、この１〜１８族の表し方を採用しました［16］。
それ以前は、ローマ数字とAやB（亜族）を組み合わせた呼び方が使われていました。IUPACの勧告は、この亜族の表し方の混乱を避けるためのものでした［16］。ホウ素・シリコン・リンは、新しい呼び方では１３族・１４族・１５族、古い呼び方ではIII族・IV族・V族にあたります。古い呼び方では、AとBの付け方も資料によって異なり、コトバンクのケイ素の項目でも、ⅣB族とする辞典と、旧IVa族とする辞典があります［11］。
半導体の解説では、今もIII族・IV族・V族という書き方が見られます。たとえば、東芝デバイス＆ストレージの解説は、「IV族の元素は価電子を4個持つ4価の元素でV族の元素は価電子を5個持つ5価の元素です」と書いています［23］。同じ解説は、「III族の元素は価電子を3個持つ3価の元素です」とも書いています［24］。
ホウ素・シリコン・リンを並べる
ここまでの内容を、半導体の材料として使われる３つの元素でまとめます。
ホウ素（B）：原子番号５。K殻に２個、L殻に３個で、価電子は３個
シリコン（Si）：原子番号１４。K殻に２個、L殻に８個、M殻に４個で、価電子は４個
リン（P）：原子番号１５。K殻に２個、L殻に８個、M殻に５個で、価電子は５個
価電子が４個のシリコンを基準にすると、ホウ素は１個少なく、リンは１個多いことになります。ホウ素は、シリコン半導体に加える元素（ドープ剤）として用いられています［25］。リンは、シリコンに加えてn型半導体を作る元素の１つです［23］。
原子どうしは、価電子を出し合って結びつく
共有結合：電子を出し合い、両方で使う
２つの原子がそれぞれ電子を出し、その電子を両方の原子で共有して結びつく方式を、共有結合と呼びます［26］。水素の分子は、２個の水素原子が２個の電子を共有することでできています［26］。
水素の原子は、単独ではK殻に電子が１個です。２個の電子を共有すると、それぞれの原子のK殻に、ヘリウムと同じ２個の電子がそろった形になります。
シリコンは、となりの４つの原子と結びつく
シリコンも、共有結合の典型的な例です［26］。シリコンは価電子が４個あるため、となりの４つのシリコン原子と、１個ずつ電子を出し合って結びつきます。その結果、それぞれの原子のまわりには、共有した電子が８個そろった形になります。
この結晶に、価電子が５個のリンや３個のホウ素がわずかに入ると、結びつきに使う電子の数が合わなくなります。半導体の性質は、この電子の過不足をもとに説明されます。
原子の仕組みが分かるまで
原子の構造は、１９世紀から２０世紀の前半にかけて、実験と理論の積み重ねによって明らかになりました。主な出来事を、年の順に並べます。
１８０８年：イギリスの化学者ドルトンが、統一的な原子論を提唱しました［1］。
１８６９年：ドイツのマイヤーとロシアのメンデレーエフが、周期律の基礎を確立しました［16］。
１８９７年：陰極線として見つかっていた電子が、J.J.トムソンの研究によって、粒子であることが確認されました［5］。
１９０３年：J.J.トムソンが、球状に広がった正の電荷の中を電子が回る原子の模型を提出しました［1］。同じ年、長岡半太郎は、電子が正の電荷の外を土星の輪のように回る原子の模型を提出しました［1］。
１９１１年：ラザフォードが、ガイガーとマースデンによるα粒子の散乱の実験（１９０９年）の結果に基づき、中心に正の電荷を帯びた小さい核があり、そのまわりを電子が回る原子の模型を提唱しました［4］。
１９１３年：ボーアが、水素原子の構造についての理論を立てました［1］。電子は原子核のまわりを、決められた軌道に限って動くという考え方です［27］。
１９３２年：チャドウィックが、陽子とほぼ同じ質量を持つ、電気的に中性の粒子（中性子）があることを示しました［28］。チャドウィックは、１９３５年にノーベル物理学賞を受けています［28］。
この後、１９４７年には、米国のベル電話研究所で、n型ゲルマニウムを使った最初の点接触トランジスタが発明されています［20］。
まとめ
原子は、陽子と中性子でできた原子核と、そのまわりの電子からできている
陽子は正、電子は負の電荷を持ち、大きさはどちらも電気素量。ふだんの原子は電気的に中性
電荷が動くと電流になる。金属では、電流を運ぶのは電子
原子番号は陽子の数。中性の原子では、電子の数も原子番号と同じ
電子は内側の殻から入り、いちばん外側の殻の電子が価電子
ホウ素の価電子は３個、シリコンは４個、リンは５個
半導体の材料の話は、この価電子の数の違いから始まります。シリコンの結晶にホウ素やリンを加えたときに何が起きるのかは、原子の仕組みが分かると、順を追って理解できるようになります。
免責事項
この記事は、筆者が個人として調べたことをもとに、執筆時点の内容をまとめたものです。学習用の説明として分かりやすさを優先し、電子殻の模型のように、細かい条件や例外を省いている場合があります。
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