物質の電気的性質 — 導体・絶縁体・半導体・抵抗率

物質が電気をどれほど通すかは、その材料を選ぶ上で最も基本的な物理特性の一つだ。電気が「流れる物質」と「流れない物質」の違いは、物質内部での電子の動きやすさによって決まる。導体・絶縁体・半導体の 3 分類と、これを定量化する抵抗率（resistivity）の理解は、電気工学・電子工学・材料科学の共通基盤となる。情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

電気伝導の基本：自由電子と抵抗率

物質中で電流が流れるためには、電荷キャリア（多くは電子）が外部電場に応じて動ける必要がある。この動きやすさを物質固有の値として表したものが**抵抗率（resistivity）**ρ（ρ: ロー）だ。

R = ρ · L / A

R: 電気抵抗（Ω: オーム）
ρ: 抵抗率（Ω·m）
L: 導体の長さ（m）
A: 断面積（m²）

抵抗率が小さいほど電気が流れやすい（低抵抗）。抵抗率の逆数を電気伝導率（conductivity） σ = 1/ρ と呼ぶ（単位: S/m = Ω⁻¹·m⁻¹）。

導体（Conductor）

導体は電気を通しやすい物質であり、抵抗率が非常に小さい（〜10⁻⁸ Ω·m 程度）。

なぜ電気が流れやすいか：金属では原子が結晶格子を形成し、最外殻電子（価電子）が特定の原子に束縛されず「自由電子」として金属内を自由に動き回ることができる。外部電場を加えると自由電子が一方向に移動し、電流が流れる。

物質	抵抗率（Ω·m）（20°C）	特徴
銀（Ag）	1.6×10⁻⁸	導電性最高だが高価
銅（Cu）	1.7×10⁻⁸	電線・配線の標準材料（コストと性能のバランス）
金（Au）	2.4×10⁻⁸	耐腐食性優秀・IC 接続端子
アルミニウム（Al）	2.8×10⁻⁸	軽量・送電線に使用
タングステン（W）	5.5×10⁻⁸	高融点・電球フィラメント
ニクロム	1.1×10⁻⁶	高抵抗導体・電熱線

温度依存性：金属は温度が上がると抵抗率が増加する（熱振動で電子が散乱されやすくなるため）。一方、超伝導体は臨界温度以下で抵抗率が完全にゼロになる。

絶縁体（Insulator）

絶縁体は電気をほとんど通さない物質であり、抵抗率が非常に大きい（〜10¹⁰〜10¹⁶ Ω·m 程度）。

なぜ電気が流れないか：絶縁体では価電子が原子（または共有結合）に強く束縛されており、自由電子がほとんど存在しない。外部電場を加えても電子が動けないため、電流が流れない。

物質	抵抗率（Ω·m）	典型用途
ガラス（fused silica）	〜10¹⁰〜10¹⁴	光ファイバー・窓ガラス
プラスチック（PVC）	〜10¹³〜10¹⁵	電線の被覆材
ゴム（天然）	〜10¹³〜10¹⁵	電気工事用手袋・タイヤ
空気（乾燥）	〜10¹³〜10¹⁶	送電線間の間隔絶縁
純水（蒸留水）	〜10⁵〜10⁷	不純物を含まない純水は絶縁体

絶縁体は電圧が一定値（絶縁破壊電圧）を超えると急激に電流が流れ始める（絶縁破壊・放電）。空気の絶縁破壊電界強度は約 3×10⁶ V/m（3 MV/m）。

半導体（Semiconductor）

半導体は導体と絶縁体の中間的な性質を持つ物質であり、外部条件（電圧・温度・光・不純物添加）によって導電性が大きく変化する。この特性がトランジスタ・集積回路の動作原理の基礎となる。

物質	抵抗率（Ω·m）（室温）	特徴
シリコン（Si）	〜10²〜10³	最も広く使われる半導体材料（IC・太陽電池）
ゲルマニウム（Ge）	〜4×10⁻¹	初期トランジスタに使用。低バンドギャップ
ガリウムヒ素（GaAs）	〜10⁻⁷〜10⁸	高速デバイス・LED・化合物半導体
シリコンカーバイド（SiC）	〜数 Ω·m（純品）	パワーデバイス・高温動作

半導体の導電性が変化する条件

温度：温度が上がると熱エネルギーにより電子が価電子帯から伝導帯に励起される。半導体は温度上昇とともに抵抗率が低下する（金属とは逆の傾向）。
光：光子（フォトン）を吸収すると電子が励起され、光伝導（フォトコンダクタンス）が起きる。太陽電池・光センサの原理。
電圧（電場）：外部電場によって電子・正孔の移動が制御される。MOSFET（電界効果トランジスタ）の動作原理。
不純物添加（ドーピング）：意図的に不純物（ドーパント）を添加することで、自由電子（n 型）または正孔（p 型）を増やし、導電性を精密制御できる。

不純物半導体（ドープ半導体）

n 型半導体：電子を多く持つ元素（例: シリコンにリン P を添加）を加えると、余剰の自由電子が生まれる（n: negative = 負電荷キャリア多数）。
p 型半導体：電子が少ない元素（例: シリコンにホウ素 B を添加）を加えると、正孔（hole）が多く生まれる（p: positive = 正電荷キャリア多数）。

n 型と p 型を接合した構造が pn 接合であり、ダイオード・トランジスタ・太陽電池の基本構造となる。半導体デバイスの詳細（MOSFET・CMOS・集積回路）は半導体ブランチで扱う。

バンドギャップと物質分類

固体物理の観点からは、導体・絶縁体・半導体の分類は**バンドギャップ（禁制帯幅）**の大きさで説明できる。

分類	バンドギャップ	例
導体（金属）	0 eV（価電子帯と伝導帯が重なる）	銅・鉄・アルミニウム
半導体	0.1〜3 eV 程度	Si（1.1 eV）・GaAs（1.4 eV）・SiC（3.3 eV）
絶縁体	5〜10 eV 以上	ガラス（〜9 eV）・ダイヤモンド（5.5 eV）

電子が価電子帯から伝導帯へ移るために必要なエネルギー（バンドギャップ）が大きいほど電気を通しにくい。半導体のバンドギャップは熱・光・電場などで電子が励起できる程度の大きさであるため、外部条件で導電性が制御できる。

情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

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