半導体とは？種類や役割、使用例などを簡単にわかりやすく解説

こんにちは。「吉田SKT」ブログ編集チームです。
吉田SKTは半導体製造装置への加工実績が多数ある、フッ素樹脂コーティングの加工メーカーです。

この記事では、さまざまな用途で使われている半導体について、具体的にどのようなものかよくわからないという人に、半導体とは何なのか、半導体の材料や種類などについて詳しく解説します。使用例や半導体の役割、将来性なども理解できますので、ぜひ参考にしてください。

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半導体とは

半導体とは、導体と絶縁体の中間の性質を持ったものです。導体とは電気を通しやすい物質のことで、絶縁体とは電気を通さない物質を指します。中間の性質を持つといいましたが、導体と絶縁体の特徴を併せ持つというよりは、使い方次第で導体・絶縁体どちらの役割にもなれるというように理解するとよいでしょう。

導体と絶縁体の中間の性質を持つことで、使い方によっては電気を流したり流さなかったりというように、電流を制御できます。そのため、トランジスタなどの素子単体や、集積回路のICを総称して半導体と呼ぶこともあります。

半導体を構成している材料

半導体を構成している材料で、代表的なものといえば「シリコン」です。単体の原子で構成される4価元素の1つであり、元素番号は「Si」です。シリコンの歴史は他の材料に比べると深く、長く使われている材料のため、日常の幅広いシーンで活用されています。

また、シリコン以外でよく使われる材料としては、「ゲルマニウム」が挙げられるでしょう。その他にも、「セレン」や「カーボン」などが使われるケースもあります。

シリコンが使われる理由

半導体の材料としてシリコンがよく使われる理由は大きく分けて2つです。1つ目は、資源が豊富にあることです。シリコンは地球表面で存在するすべての物質のうち、2番目に多い物質として知られており、半導体材料として使うだけの物質的余裕があります。

2つ目の理由は、加工のしやすさです。シリコンは、ICやLSIなどの集積化のための加工がしやすく、半導体の材料として扱いやすいため、半導体の材料として使われやすくなっています。

半導体の仕組み～P型とN型半導体～

半導体デバイスの動作を理解する上で重要となるのが、P型とN型という2つの基本構造です。これらは、現代のエレクトロニクスを支える基本的な要素となっています。

P型半導体の特徴と仕組み

P型半導体は、電子が不足した状態の半導体です。P型の「P」は「Positive（正）」の略で、正の電荷を持つホール（正孔）が電流の担い手となることを表しています。シリコンなどの半導体材料に、ホウ素やアルミニウムといった3価の元素（価電子数が3つの元素）を添加することで作られます。これにより、電子が不足した部分である「ホール（正孔）」が生まれます。このホールは、ホールは、電子が抜けたことで生じた「空孔」です。電圧をかけると、隣接する電子がホールを埋めるように移動し、それによってホールが反対方向に移動しているように見えます。この連鎖的な電子の移動によって電流が流れるのです。これは、ちょうど並んだ玉突きのように、一つの玉が動くことで連鎖的に動きが伝わっていくようなイメージです。

N型半導体の特徴と仕組み

一方、N型半導体は、余分な電子（自由電子）を持つ半導体です。N型の「N」は「Negative（負）」の略で、負の電荷を持つ自由電子が電流の担い手となります。シリコンにリンやヒ素などの5価の元素を添加することで作られます。この過程で余分となった電子は、原子に強く束縛されることなく、半導体の結晶の中を自由に動き回ることができます。そのため「自由電子」と呼ばれています。自由電子は、結晶の中を自由に動き回ることができるため、電圧をかけるとこれらの自由電子が一斉にマイナス極からプラス極の方向へ移動することで電流が流れます。これは、電子が負の電荷を持つため、電気力によってプラス極に引き寄せられるからです。例えるなら、空気中を自由に飛び回ることができる風船のように、自由電子は結晶の中を自由に動くことができるのです。

半導体の基本となるPN接合の仕組み

P型とN型の半導体を接合すると、その境界面で特殊な性質を持つ「PN接合」が形成されます。この接合部分では面白い現象が起きます。N型側の自由電子は、P型側のホールと出会うと、そこに落ち込んで埋まってしまいます。これは、坂道にある穴に球が転がり落ちて埋まるようなイメージです。

この現象により、接合部分には電子もホールも存在しない「空乏層」と呼ばれる領域が生まれます。空乏層は、電子とホールが結合して中和することで生じます。このため、空乏層にはキャリア（電荷の担い手）がほとんど存在せず、電気的に中性の領域となります。この空乏層があることで、電流は片方向にしか流れなくなります。具体的には、順方向バイアス（P型側にプラスの電圧を印加）では電流が流れやすく、逆方向バイアス（N型側にプラスの電圧を印加）では電流が流れにくい性質が生まれるのです。

これを「整流作用」と呼び、この性質を利用したのがダイオードです。例えるなら、一方通行の道路のように、電流を一定の方向にだけ流すことができる電子部品となります。この基本的な仕組みは、より複雑なトランジスタなどの電子部品にも応用されており、現代のエレクトロニクス機器には欠かせない存在となっています。

半導体の種類

半導体は機能の集積度によって、数種類に分類されます。代表的なものとしては、「ディスクリート半導体」「IC(集積回路)」「LSI(大規模集積回路)」の3種類です。以下では、それぞれの種類について詳しく解説します。

ディスクリート半導体

ディスクリート半導体とは、単一の機能を有している素子のことです。半導体の中では、もっとも集積度が低い種類に分類されています。

代表的なディスクリート半導体には、ダイオードとトランジスタがあります。これらは、スマートフォン、パソコン、自動車など、私たちの身の回りの電子機器に数多く使用されています。

ダイオード

ダイオードは、電気の流れを一方通行にする電子部品です。2つの端子（アノードとカソード）を持ち、順方向（アノードからカソードへ）に電圧をかけると電流が流れ、逆方向（カソードからアノードへ）に電圧をかけると電流が流れません.主に、家庭用電源で交流電流を直流電流に変換するために使用されます。また、過電圧保護や信号整流にも利用されます。

トランジスタ

トランジスタは、電気信号を増幅したりスイッチングしたりする半導体素子です。1947年に発明され、現代エレクトロニクスの基盤となる部品として広く使用されています。構造的には、シリコンにn型とp型の不純物を添加して作られ、ベース、エミッタ、コレクタの3つの端子を持つのが特徴です。ベースに電圧を印加することでコレクタとエミッタ間に電流が流れます。ラジオ、テレビ、コンピューターの増幅回路など、様々な電子機器に使用されています。

これらのディスクリート半導体は、単純ながらも高い信頼性と柔軟性を持つため、最新のデジタル機器から従来のアナログ機器まで、幅広い分野で活躍し続けています。技術の進歩により小型化や高性能化が進んでいますが、その基本的な役割は変わらず、今後も電子機器の重要な構成要素であり続けるでしょう。

IC（集積回路）

ICとは、「Integrated Circuit」を略した言葉です。複数の素子を1つに集積させたものをICと呼びます。たとえば、トランジスタを複数組み合わせて構成したり、トランジスタとダイオードなどを多数組み合わせて構成したりしたものが、ICです。

ICはその集積度によって、SSI(Small Scale Integration)、MSI(Middle Scale Integration)、LSI(Large Scale Integration)などに分類されます。

LSI（大規模集積回路）

LSIは「Large Scale Integration」を略した言葉です。ICの中の1つであり、集積度がより高まったものをLSIと呼びます。現代ではICとLSIを、同じような意味で使っているケースも多くあります。

LSIは、ダイオードやトランジスタ、受動素子などを集積したもので、複雑な機能を持っています。LSIはスマートフォンやパソコン、オーディオや自動車、デジタルカメラなど、人々の生活を豊かで便利にする製品にも使われるなど、幅広いシーンで活用されています。

LSIには、特に重要な2種類の半導体があります。それが「ロジック半導体」と「メモリー半導体」です。

ロジック半導体

ロジック半導体は、デジタル信号を処理する「頭脳」のような役割を果たします。論理演算（AND、OR、NOTなど）を行い、デジタル回路の中核となります。スマートフォンやパソコンのCPU、家電製品の制御回路など、私たちの身近な電子機器に広く使用されています。

メモリー半導体

メモリー半導体はデータを記憶する「メモ帳」のような役割を担います。主にDRAMとSRAMの2種類があり、データの保存と読み出しを電気的に行います。コンピューターのメインメモリやキャッシュ、スマートフォンの内部記憶装置など、様々な電子機器でデータ保存の要となっています。

これら2つの半導体が協力することで、現代の高性能な電子機器が実現されています。

関連記事：半導体はなぜ必要？役割や種類、半導体の作り方などを解説

パワー半導体

パワー半導体は、高電圧・大電流を制御する「筋肉」のような役割を果たします。通常の半導体よりも大きな電力を扱えるよう設計され、高度な放熱対策が施されています。主にパワートランジスタやパワーモジュールの形で利用され、電力変換装置や自動車の電気システムなど、大電力を扱う様々な分野で活躍しています。
例えば、電気自動車のモーター制御や、太陽光発電システムの電力変換など、私たちの生活に密接に関わる場面で重要な役割を担っています。省エネルギー化や再生可能エネルギーの普及に伴い、パワー半導体の需要は急速に拡大しています。

関連記事：パワー半導体とは？半導体との違いや機能、おもな用途などを解説

半導体が持つ役割

半導体にはどのような役割があるのでしょうか。ここでは、半導体が持つ役割について詳しく解説します。

電気エネルギーを光に変換できる

半導体は、電気のエネルギーを光に変換するという役割を持っています。電子が持つエネルギーを光として放出することにより、電気エネルギーを光に変換するという仕組みです。たとえば、LEDや有機EL、レーザーなどで使用されており、電子が持つエネルギーの大きさなどによって、放出される光が変わります。

光エネルギーを電気に変換できる

前述したように、半導体は電気エネルギーを光に変換できますが、逆の動作も可能です。たとえば、近赤外線や可視光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換します。代表的なものとしては、太陽電池などが挙げられるでしょう。太陽電池は太陽光という光エネルギーを受け取り、電気に変換して流すという仕組みになっています。

電気の流れを制御する

半導体には、電気の流れを制御するという役割もあります。簡単にいうと、「電気のオン・オフ」や「電気の流れを一方通行にする」といったことが可能です。電気のオン・オフはトランジスタやインバーター、電気の流れを制御するのはダイオードやコンバーターで使われており、高速でオン・オフすることでデジタル化を行う素子としても活用できます。

半導体の使用例

半導体はさまざまなシーンで活用されていますが、生活を便利で豊かにしてくれる身近なデジタル家電にも多く活用されています。たとえば、広く普及しているスマートフォンやデジタルカメラ、テレビなどの身近な家電にも使用されています。半導体の使用例は以下のとおりです。

パソコンを動かすために必要なCPUや、エアコンの温度調節、炊飯器の火力制御などにも半導体が使われています。このように、半導体は人々の生活を支える上で欠かせないものだといえるでしょう。

関連記事：半導体の使い道とは？基礎知識から役割、家庭や社会での用途などを解説

半導体が支える技術・機能

半導体が活用される先は、デジタル家電だけではありません。ここでは、半導体が支える技術や機能について解説します。

超高速データ通信

半導体は、データの受信や発信をするという役割も持ちます。情報をデータとして受け取ったり、発信したりするのに半導体は欠かせません。超高速データ通信を実現するためには、通信用機器の性能が重要です。通信用機器は多くの半導体で構成されているため、半導体が機器性能を左右するといってもよいでしょう。

データの通信技術に半導体は欠かせないものであり、超高速データ通信は半導体技術の進歩や進化によって支えられています。

高精細映像

高精細映像の情報処理は半導体が行っています。映像分野の技術は進化しており、4K映像技術やさらに上の8K映像技術などがあります。これらの技術により、高精細映像の撮影や再生などが可能となり、臨場感のある美しい映像を再生できるようになりました。

しかし、高精細映像の撮影や記録、処理、再生では膨大なデータを処理する必要があります。高精細映像の処理には、より小型化した半導体が役立つといわれています。

自動車先進運転技術

自動車先進運転技術には、高度な処理能力と速度をあわせ持つCPUやGPUが必要です。デジタルデータを半導体が処理することにより、自立的なハンドル操作やブレーキ、アクセルなどが可能で自動運転などが実現します。

また、カーナビの処理を行うCPU、映像データを処理して360度の映像が映せるサラウンドビューカメラ、衝突防止システムなどにも半導体は活用されています。このように、運転支援や安全性の確保などにも役立っているのです。

半導体製造装置

半導体製造装置は、半導体デバイスを製造するのに必要な製造装置です。半導体の製造工程は、主に設計・前工程・後工程に分かれており、それぞれの製造装置が必要です。半導体の加工には、マイクロメートルからナノメートルの精度が必要になります。高精度に管理された装置では、微細な異物や不純物も許さない純粋性も必要です。金属イオンなどの溶出を防止するためフッ素樹脂やフッ素樹脂コーティングは半導体製造において重要な役割を果たしています。

関連記事：半導体･電子分野に選ばれる表面処理とは
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半導体が持つ可能性

半導体の進化によって、あらゆるシステムの小型化が進むと考えられています。事実、半導体の小型化により、スマートフォンやデジタルカメラに見られるように電話やカメラを手軽に持ち運べる時代になりました。今後も、半導体の小型化が進み、省電力化も進むと予測されています。

システムや機器の小型化で効率化が進み、無駄なエネルギーを削減できるようになります。そのため、地球環境の負担が減り環境面にもよい影響を与えると考えられるでしょう。

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まとめ

半導体とは、導体と絶縁体の中間の性質を持つ物質です。身近なデジタル家電だけでなく、超高速データ通信や高精細映像、自動運転の実現などにも半導体は欠かせません。今後も小型化が進み需要が高まると予測されています。

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