読者です 読者をやめる 読者になる 読者になる

Narumi Yamauchiのつぶやき

考察とかを発信していきます

半導体はなぜ電子機器において重要といわれているのか?

疑問・問題を問う

半導体はなぜ電子機器において重要といわれているのか?

 

今回、半導体ってなに?という小さな疑問から出発して上のようなタイトルに決めた。というのも、このタイトル自体が半導体に対しての問いになっている。この問いが僕自身の考えることを誘発してくれるのではないかと淡い期待をしてこの記事を書くことにする。

 

今回、本を読むとかそこまでの時間を取るつもりはないので、適当なホームページやらを見つけて考えることをしていこうと思う。

 

では先にタイトルである問いに対して僕なりに先に仮説を立てようと思う。

半導体について現時点で電子機器に組み込まれている何らかの物体ということ以外全く知らないので、ざっくり

「半導体は電子機器において人間の脳のような役割をしている」

と仮説を立てることにする。

 

次に、上で言っていた仮説とは関係なく、このままだと思考停止になりそうなのでタイトル自体を少し分解したいと思う。

 

キーワードは、半導体、電子機器かな。

 

ただ、ここでは電子機器をスマートフォン、家電、パソコンと下位の概念に分解しても意味がなさそうなので、半導体のみを分解しようと思う。

 

ではでは、半導体とはどのようにできたのだろうか?

いや、なんか難しいので、先に半導体は何でできているのか?と考えよう。

 

今回はこちらのホームページを利用し参考にしている。

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/

 

 

 

ここで紹介されている内容をそのまま載せようと思う。

========================

半導体とは?

物質は電子を通す「導体」と電子を通さない「絶縁体」、そして、ある条件によって電子を通す「半導体」に分かれます。「導体」「絶縁体」「半導体」の違いを説明するのに判りやすいのはバンドギャップの幅の違いです。

バンドギャップとは電子が存在することのできない領域(禁制帯)のことです。電気を通す、通さないは電子が移動することができるかどうかによります。バンドギャップが無い「導体」の代表は鉄、銅、銀、金、アルミニウムなど金属系の物質。電子が簡単に移動できるため、電気を通すことができます。逆にバンドギャップが大きい「絶縁体」は油、ガラス、ゴム、セラミックに代表されます。バンドギャップが大きいために電子が移動できずに電気が流れません。「半導体」はバンドギャップが小さく、「半導体」に不純物を混ぜることで電子や空孔の流れを制御することができます。

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

さぁ、ここでのキーワードは、「導体」、「絶縁体」、「半導体」、「バンドキャップ」としましょう。

 

一つ一つ整理していくと、

・「導体」とは電子を通す物質。例えば、鉄、銅、銀、金、アルミニウム。

・「絶縁体」とは電子を通さない物質。例えば、油、ガラス、ゴム、セラミック。

・「半導体」とはある条件で電子を通す物質。ある条件で電子を通さない物質とも。

・「バンドキャップ」とは電子が存在することのできない領域のこと。この領域のことを別名:禁制体と呼ぶ。

 

さらに言うと、「導体」以外にはバンドキャップがあると考えられます。

そして、絶縁体と半導体の違いは、極端に言えば、バンドキャップの大きさ、つまり、電子を通さないほど大きいバンドキャップを持つか、電子を通すほどのバンドキャップを持つかであると言えるでしょう。

 

ちなみに、下は「導体」「絶縁体」「半導体」イメージ図です。

「導体」

 

f:id:kaiketsun:20170228155917p:plain

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

「絶縁体」

f:id:kaiketsun:20170228155931p:plain

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

 

「半導体」

f:id:kaiketsun:20170228155935p:plain

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

 

ここまででわかることは、半導体というものは、半導体という名前の物質や商品名があるわけではなく、電子が通るか通らないかといった原理、技術を応用した物質のことを指しているということです。

 

この時点での、半導体は何でできているのか?という問いに対して、

「半導体」はある条件で電子を通す物質を使ってできている。

と答えられる。

 

では、次に、半導体とはどのようにできたのだろうか?

という問いに関して考えていきたいと思う。

 

どのようにできたかはどのように半導体が発展してきたかという歴史を見ることでわかるんじゃないかという仮説を持って(実はちょうどよくホームページにあるだけ)、歴史について調べようと思う。

 

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/exhibition/history/を参考にしていきます。

 

 

イントロに、『エジソンの電球、ベルの電信電話、マルコーニの無線通信、ブラウンのブラウン管などその後のITの基盤となる技術は19世紀末まで出現していた。そして、それらの技術を飛躍的に発展させる原動力となったのが半導体。』

(ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/exhibition/history/から抜粋、ちょっと編集)

と書いてあるが、半導体がなんで電球、電話、通信、ブラウン管っていう技術を飛躍的に発展させたんだろうか?

 

さてさて、さっそく歴史を見ていこうではないか。

 

1904年、2極真空管発明

1946年、世界初の汎用コンピュータ「ENIAC」発表

1948年、接合型トランジスタ発明

1955年、日本初のトランジスタラジオ発売

1957年、エキサキダイオード発明

1959年、「キルビー特許」出願

1965年、「ムーアの法則」発表

1971年、Intel4004発売

1977年、世界初“パーソナルコンピューター”「Apple Ⅱ」発売

1980年、フラッシュメモリ発明

1983年、ファミリーコンピューター発売

1991年、カーボンナノチューブ発見

1993年、青色発光ダイオード実用化

1995年、シャープが液晶テレビ「ウィンドウ」発売

2002年「地球シミュレータ」が世界最速35.86TFLOPSを記録

2004年、グラフェンを得る実験成功

2007年、アップル社がiPhone発表

2010年、アップル社がiPad発表

2011年、「京」が世界最速10PFLOPSを達成

(ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/exhibition/history/から抜粋、ちょっと編集)

 

以上の歴史を見てみたけれど、半導体がなんで電球、電話、通信、ブラウン管っていう技術を飛躍的に発展させたのかに関しては一切わからん。。。

 

というかわかるためには、半導体についてもっと詳しく知らないとわからないよね。ということで、半導体とはどのようにできたのだろうか?っていう問いは少し雑だったのかもしれません。歴史を聞いているのか、もしくは、半導体そのものがどうできているのか、とどっちを聞いているのかわからないんですから。。。

 

ではでは、最初の方に戻って、半導体についてさらに詳しく調べますか。

半導体そのものはどうやってできているのか?問いとして考えていきましょう。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せようと思う。

========================

半導体とは?

N型とP型の存在

純粋なシリコンやゲルマニウムの結晶の性質は絶縁体に近く、電圧をかけても電気はほとんど流れません。結晶の中の電子同士が固く結合していて、自由に動き回れる電子はごくわずかしかないからです。

しかし、そこに電子を余計にもった燐などの不純物をほんの少し加えるだけで、導体のような性質に変化します。結晶の中を自由に動き回る電子ができるからです。この燐のように電子を余計にもった不純物が含まれるものをNnegative)型半導体、逆に電子の少ないホウ素などの不純物が入ったものをPpositive)型半導体と呼びます。P型半導体では、電子が足りない穴(正孔)が電子の代わりの働きをし、まるで+の電子が動き回るように振る舞います。

このN型とP型を接合させることにより、電界の向きによって電気が流れたり流れなかったりする「整流作用」が現れるのです。

 

f:id:kaiketsun:20170228155940p:plain

 

 

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

ようやく半導体がどんなものによってできているのかわかりました。

シリコンやゲルマニウムといった物質からできているようですね。

その物質にリンやホウ素を混ぜて、P型にしたり、N型の半導体にするようです。もしかしたら、他にも半導体として使える材料があるのかもしれませんが、今回の思考実験では無視します。(もう体力の限界が近づいてる)

 

ひとまず、半導体そのものはどうやってできているのか?という問いには、半導体は、シリコンやゲルマニウムといった単体では絶縁体の物質にリンやホウ素といった物質を何らかの方法で組み合わせて、N型とP型半導体を作ることで、電子に対して整流・増幅・発振を行っている。と答えられますね。

 

では次に、半導体の何に使うのか?という問いをしてみたいと思います。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せます。

========================

半導体とは?

電流を増幅するトランジスタ

トランジスタ(transistor)は増幅、またはスイッチを動作する半導体素子。transfer(伝達)とresistor(抵抗)を組み合わせた造語。

「整流作用」を実現した半導体に、電信・電話などの需要に合わせた「増幅」の働きが求められたことによって誕生しました。

世界初のMOSトランジスタは1960年にベル研究所のKahngAtallaが製造に成功しました。MOS型トランジスタは今日最も一般的なトランジスタです。

電気を通す導体と同じ性質のN型だけの状態に対して、その中にP型層による‘壁’を設け、その高さを調節することで電子の流れをコントロールしようというもの。これにより、ごくわずかな信号電流で、それに比例する出力が得られる(=増幅)ようになったのです。

 f:id:kaiketsun:20170228155944p:plain

f:id:kaiketsun:20170228155948p:plain

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

 

以上の文章をもとに考えると、

半導体で何ができるのか?という問いには、

電子の流れがコントロールできると答えられそうですね。

 

ここらへんでようやく半導体に対して定義ができそうなのですが、もう一踏ん張りして、半導体に関する文章を読んでみましょう。

 

半導体とは何か?という問いをします。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せます。

========================

半導体とは?

半導体の領域の拡大

何かの手段を用いることで、電子の流れを自由に制御できること。

それが、半導体に関する現在の一般的な定義です。言い換えると、トランジスタの素材になるものであれば、それはつまり半導体。

しかし、ゲルマニウムやシリコンだけを扱っていた時期は、元素周期表14族に属する元素だけを指していました。やがて、化合物半導体や有機物半導体などが研究されるようになると、半導体の定義は変化。ある特定の元素を指すのではなく、半導体の性質を示すあらゆる物質を指すようになりました。

そしていまでは、飯島澄男博士が発見したカーボンナノチューブや、ノーベル化学賞に輝いた白川英樹博士等が発見した誘導性ポリマーなども、半導体の素材として世界中で研究されています。

 

f:id:kaiketsun:20170228155954p:plain

f:id:kaiketsun:20170228155959p:plain

 

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

 

半導体になる物質はシリコンやゲルマニウムだけではないことが分かりました。以上の2つの物質だけを半導体として使用していた時期は、以上の2つ自体を半導体と呼んでいたが、現在では、半導体としての性質が定義として正確になりました。つまり、半導体とは何か手段を用いることで、電子の流れを制御できるものである。言い換えるなら、半導体の性質を利用している電子回路そのものも指すようになった。

 

って感じでしょうか。

 

次に、半導体の発展について考えていきましょう。

半導体はどのように発展したのか?という問いを立てて答えを探していきます。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せます

========================

IC(集積回路)とは?

集積化へのベクトル

トランジスタの発明により、それまで真空管を使っていた電子回路の一部はゲルマニウムやシリコンなどに置き換えられ、電子回路の小型化・高耐久化が進みました。それでもなお、コンデンサや抵抗、配線など電子回路の他の部分は依然として従来のままであり、研究者のテーマは必然的に電子回路全体の小型化に向かうこととなりました。
その結果、従来はアルミのシャーシを使っていた基板を、合成樹脂製のプリント基板にしたり、個々の部品の小型化を図るなど、一定の成果をあげることはできました。
しかし、ひとつひとつの部品を別々につくって組み立てるという発想からスタートしている限り、その成果には自ずから限界がありました。

f:id:kaiketsun:20170228160003p:plain

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

さてさて、ここでもよくわからんキーワードが出てきました。

僕にとってのキーワードは電子回路、IC、トランジスタ、真空管、コンデンサ、シャーシ、プリント基板、シャーシです。

 

まずは、言葉の整理をしましょうか。

 

・「電子回路」

電子回路とは、電気的な機能を持つ部品を、動線により結合した電気回路の一種で、特に、制御的な動作を含むもののことである。

電子回路は、回路素子と呼ばれる個々の構成部品が、電気を通す動線によって、一定の機能を持つように構成された回路である。素子には、入力に対して線形な出力を行う線形素子と日線形な出力を行う非線形素子がある。また、素子は、受動素子、能動素子と、分類されることもある。さらに、端子の数から2端子素子、3端子素子などに分けることもある。

線形素子の代表的なものは、抵抗、コンデンサ、コイル、トランスなどである。非線形素子の代表的なものは、ダイオード、サイリスタ、トランジスタなどである。このような素子を動線によって結合することにより、一定の機能を持たせることができる。また、どのように回路を構成するかということを回路設計と呼ぶ。そして、回路設計の結果は、電子回路図で示される。

電子回路は、その機能や動作方式などにより分類される。1と0の論理代数に従って動作するように構成された電子回路は、論理回路あるいはデジタル回路と呼ばれる。これに対して、連続的な動作をするものは、アナログ回路と呼ばれる。また、扱う周波数の範囲によって、低い周波数を扱うものを低周波回路、高い周波数を扱うものを高周波回路と呼ぶ。信号間の変換を行うタイプの電子回路は変換回路と呼ぶ。変換処理には、デジタルとアナログを相互に交換するものや、周波数の変換、エネルギーレベルの変換などがある。

電子回路は、基板と呼ばれる板状の絶縁素材の上に形成される。基板はエポキシやベークライトを素材にしたものが多い。この基板の上に、配線用の導線を、エッチングなどの印刷技術を使って配線パターンとしてプリントしたものを特にプリント基板と呼ぶ。基板上には、素子を置くために穴が開けられ、半田付けによって固定する。電子回路の中で複雑な機能を持つひとかたまりを、集積回路と呼ぶ。

webio辞書を参照、

http://www.weblio.jp/content/%E9%9B%BB%E5%AD%90%E5%9B%9E%E8%B7%AF

 

電子回路を中心にぞろぞろと関連するプリント基板、コンデンサ、トランジスタなどのキーワードが出てきました。。。

 

以上の説明を見る限り、電子回路の各種部品にトランジスタやコンデンサといった名前が付いているんですね〜。

 

ところで、線形素子、非線形素子ってなんだろう?

ということで調べました。

非線形素子とは、電圧をかけた時、素子に流れる電流が電圧と比例しない素子の総称。

線形素子とは、電圧をかけるとその大きさに比例した電流が流れる素子の総称。

ということらしいです。

 

、、、、、、、んー現時点で放置することにします。

 

 

・「トランジスタ」

増幅、発振、スイッチングなどの動作を行うことができる半導体素子のこと。

引用元:

http://www.weblio.jp/content/%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%82%B9%E3%82%BF

 

・「真空管」

検波・整流・増幅・発振などに用いる。

以前は、電子素子として広く使用されていたが、半導体を使用したダイオードやトランジスタが登場すると、特殊用途をのぞいて、真空管はほとんど用いられなくなった。

引用元:

http://www.weblio.jp/content/%E7%9C%9F%E7%A9%BA%E7%AE%A1

 

・「コンデンサ」

電気エネルギーを蓄える性質を持つ素子。

引用元:

http://www.weblio.jp/content/%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%B3%E3%82%B5

 

・「プリント基板」

電子回路を実際に作る際の基礎になる板のことです。

この板の上に電子回路を組み立てます。

引用元:

http://www.weblio.jp/content/%E3%83%97%E3%83%AA%E3%83%B3%E3%83%88%E5%9F%BA%E6%9D%BF

 

・「シャーシ」

ハードウェアの外装、筐体、骨組みの部分のこと。

単に、ケースや筐体と言わずシャーシという場合、内外を隔てる壁が無く、棚や骨組みのような形状になっている場合や、筐体が独立していて中身を複数・多数収納できるような構成になっているような場合が多い。

引用元:

http://e-words.jp/w/%E3%82%B7%E3%83%A3%E3%83%BC%E3%82%B7.html

 

意味がわかったところで、ここまでの文章をまとめると、

要するに、トランジスタの発明で、一定のレベルで小型化と耐久化が進んだようです。

 

さらに、読み込んでみようと思います。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せます。

========================

IC(集積回路)とは?

キルビーの大胆な発想

1958年当時、半導体の中にコンデンサや抵抗をつくることや、1つのウェーハに複数のトランジスタをつくることは行われていました。しかし、ほとんどの研究者は、1つの基盤の上にさまざまな部品をどう効率的に組み込むかという発想をしていました。そんな状況に風穴を開けたのが、テキサス・インスツルメンツ社に着任したばかりのJ.S.キルビー。彼の着想は、トランジスタをゲルマニウム半導体で作るのなら、いっそのことコンデンサや抵抗も、同様にゲルマニウム結晶体の中に作り込んでしまおうというものでした。

つまり、1つの回路全体を半導体でつくりこむという発想。こうして、最初の集積回路が誕生することとなりました。

 

f:id:kaiketsun:20170228160006p:plain

f:id:kaiketsun:20170228160009p:plain

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

 

キルビーの大胆な発想のおかげで、回路がさらに小型化し、集積化が進んで行くことになったようです。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せます。

========================

IC(集積回路)とは?

集積回路の加速度的な進化

1個のトランジスタと3個の抵抗、そして1個のコンデンサがつくりこまれた、長さ3cm・幅数ミリの細長いゲルマニウム単結晶。それが、ギルビーがつくりだした最初の集積回路です。ただし、配線はそれまでと同じように端子を金線でつないだものであり、そこにまだ進化の余地がありました。

やがて、配線も、抵抗やコンデンサと同じようにアルミニウムを蒸着させてシリコンウェーハにつくりこむ技術が登場。キルビーがつくりだした集積回路を、さらに大きく革新することとなりました。また、この技術は量産に適していたので、集積回路の普及も促進。こうして、集積回路は加速度的に進化していきました。

f:id:kaiketsun:20170228160014p:plain

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

ギルビーが作り出した集積回路には改善の余地があり、量産に適した技術が開発され、集積回路は普及していった。さらに、集積回路は加速度的に進化をしてきたようだ。

 

今回も、紹介されている内容をそのまま載せます。

========================

IC(集積回路)とは?

「ムーアの法則」の衝撃

ICの集積度が60個程度だった1965年当時、「1975年までには、最小コストで得られる集積回路の部品数は65,000に達するであろう」とする論文は、一大センセーションを巻き起こしました。

ICの集積度は、18か月で2倍に高まっていく。これが有名な「ムーアの法則」。インテル社の共同創業者G.ムーアが、自身の経験に基づいて発表した予測です。そして、実際に進行した驚異的な集積化は、ムーアの予想通りの経過を辿りました。これを支えたのが、半導体の超微細加工技術。この技術は、10億分の1メートルのナノの単位にまで達し、ITの分野などではすでに100ナノ以下の世界での競争が繰り広げられています。

f:id:kaiketsun:20170228160023p:plain

========================

ナノテクミュージアム, http://www.tel.co.jp/museum/から引用

 

半導体の進化の法則について言及しているムーアの法則を支えている技術は、超微細加工技術であるようだ。

超微細加工技術について興味をそそられるが、ここでは調べることをやめておく。

 

ここまで調べてみて思うのは、半導体の発展のプロセスはわかったのだが、いまいち、この集積化された回路(IC)はいったい何に使い、どんな効果があるのかがわからない。

 

ここで役に立ったのが、インテルとソニーのホームページでした。

 

マイクロプロセッサーは膨大な数のトランジスタから構成されており、トランジスタひとつ1つは、スイッチの役割しか持たない単純で小さな素子だが、これらを高度に組み合わせると、さまざまな演算をこなしたり、周辺パーツの制御を行ったりできるようになる。つまり、組み合わせるトランジスタの数が多くなればなるほど、マイクロプロセッサーの処理性能や機能を高められることになるようである。マイクロプロセッサーに限らず、半導体は様々な場面で使われている。例えば、パソコンやゲーム機、テレビ、スマートフォン、そして自動車に至るまで様々なものに使われている。半導体はこれらの製品で、情報を記憶したり、計算をしたりしている。

インテルホームページ参照:

http://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/innovation/processor.html

ソニー参照:

http://www.sony-lsi.co.jp/recruit/semiconductor/basic/sd01.html

 

以上のことから、半導体は電子機器で記憶や計算のために使われていると答えることができる。

 

では、次になぜ半導体で記憶したり、計算したりできるのだろうか?という問いを立ててみる。ですが、ここで力尽きました。この問いに関しては次回また取り組みたいと思います。とういうか、この問いは、なぜパソコンで計算ができるのか?って問いがいいよね。または、なぜパソコンにデータが保存できるのか?って問いかな。

 

っていうか、実は、最初のタイトルの問いに答えてるんだよね。

 

電子機器は、チップを使って演算や記憶をしていろんな動作をして、そのチップ自体は半導体を使って作られている。もし、演算や記憶ができなくなってしまったら、チップを使っている電子機器は使えなくなってしまう。あと、半導体はチップ自体のことも指すように定義が変わってきていることを考えると、「半導体は電子機器において人間の脳のような役割をしている」

っていう仮説、結構いい線いってると思うんだよね。

 

もちろん、そんなこと知っとるわ!って人もいると思うけど、今回は考えることが目標だったでいいです。

 

次は、パソコンがなんで計算できるのかについて、時間があるときに考えたいと思います。

 

以上!

 

個人ブログを作成した理由

初めまして。

山内成身(ヤマウチ ナルミ)と申します。

 

現在、個人ブログとは別に、中国をテーマにブログを作成しています。

しかし、そのテーマの中で自分の考えや個人的なことを発信することはテーマに合いません。

だから、個人ブログを作成しました。

続きを読む