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
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。
半導体は日々の生活を支えている重要な存在です。身近な家電製品や社会全体を動かすインフラまで、使い道や活用の幅の広さに特徴があります。
この記事では、半導体の使い道と具体例、半導体の種類や仕組みを解説します。半導体の基礎知識から実際の用途まで解説しますので、ぜひ参考にしてください。
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半導体とは
半導体は、電気を通す「導体」と電気を通さない「絶縁体」の中間の性質を持つ物質です。電気の流れが温度で変化する特徴があり、低温では電気を通しにくく、温度が上がるにつれて電気が流れやすくなります。半導体はその性質を用いて、電流を制御する役割に使われます。
たとえば、スマートフォンや自動車、家電製品などは半導体の制御機能が必要です。社会インフラとして使う製品や銀行のATMなどにも使われており、日常生活の中にある身近な存在といえます。
半導体に使われている材料
シリコンは半導体の代表的な材料です。シリコンは強いエネルギーを照射した場合でも電流を制御できるため、多くの製品で使われています。使われてきた歴史や用途の幅が広いことから、ほとんどの製品の半導体はシリコンと考えてよいでしょう。他には、ゲルマニウムやセレン、カーボンなども使用されています。
半導体にシリコンが使われる理由
シリコンは地球に存在するすべての物質の中で、酸素に次ぐ2番目に数が多い物質です。3番目に多いアルミニウムの量とも差があります。またシリコンは加工がしやすく、不純物を取り除いたり純度を高めたりしやすい物質です。それらの使い勝手のよさから、シリコンは多くの製品に利用されています。
半導体が持つ4つの種類
半導体は4つの種類を持つ物質です。それぞれ特徴や役割が異なるため、以下で解説します。
1：メモリ
メモリは、データやプログラムの記憶装置としての役割を果たします。メモリは電源を落とすとデータが消える「揮発性メモリ」と、電源を落としても保管される「不揮発性メモリ」の2つに分かれます。
2：トランジスタ
トランジスタは、3つの端子を持つ半導体デバイスです。スイッチのオン・オフで電流を制御するスイッチング作用や、小さな電気信号を大きくする増幅作用などに使われます。3つの端子は、入力端子、接地端子、出力端子に分かれています。
3：センサ
センサは受け取った情報をもとに、電気信号やデータを出力する装置です。たとえば、温度、光、色などの物理的・化学的な現象を収集し、機械が取り扱うことのできる電気信号やデータに変換します。
4：ダイオード
ダイオードの役割は、電流を一方通行にすることです。反対の流れの電気はほとんど通さなくなる構造を持っています。用途に応じて「整流」「検波」「低電圧」「スイッチング」の4種類に分類されます。
参考記事：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
半導体の仕組み
電流はバンドギャップの大きさによって、電気を通すか通さないかが決まります。バンドギャップとは電子が存在できない領域であり、幅が大きいと電気を通しません。半導体はバンドギャップの幅が小さいため、不純物を混ぜると電子や空孔の流れを制御できます。そのためには2つの半導体が必要になるため、以下でそれぞれについて解説します。
P型半導体の仕組み
P型半導体のPはPositiveの頭文字で、価電子が1つ少ない状態にしたものです。本来であれば、シリコンと同等の4つの価電子で共有結合をさせますが、1つ足りないことで電子分の孔が空いた状態を作ります。この空いた状態を正孔（ホール）と呼び、空席を埋めるために正孔が電気を運ぶことで、電気が流れます。
N型半導体の仕組み
N型半導体のNはNegativeの頭文字で、シリコンに価電子が1つ多いリンを少量加えて作ったものです。5価元素を混合させて電子が1つ余る状態にし、1つ余った電子が自由電子になり電気を運びます。N型半導体とP型半導体の接合を「PN接合」と呼び、接合することで電気が流れます。
半導体が持つ役割
半導体はエネルギーの変換や電流の制御などの役割をもつ物質です。以下で、それぞれの役割について解説します。
光エネルギーを電気に変換する
半導体は光エネルギーを電気に変換し、可視光や近赤外線などから光エネルギーを作ります。太陽電池の電力の発電が代表的な例です。太陽光が電子によって吸収され、電界から電力として太陽電池の外部に出力されます。太陽光の熱からエネルギーを作るのではなく、光エネルギーを直接的に電力に変換する点が特徴です。
電気エネルギーを光に変換する
半導体は電気を光エネルギーに変換することも可能です。LEDや有機EL、レーザーなどの光を発するものに使用されています。電子が持っているエネルギーの大きさによって、放出される光の種類が異なります。他には、白熱電球、蛍光ランプなども電気エネルギーを光エネルギーに変換して光を放出するものです。
電気の流れを制御する
半導体は電流を制御でき、トランジスタ、インバーターなどで電気のオン・オフができます。また、電気を一方通行に流す役割もあるため、ダイオードやコンバーターなどでも使用されています。半導体は単体で複雑な処理を行えませんが、組み合わせによっては高度な情報処理が可能です。精密な制御を必要とする電子機器は、半導体の技術によって支えられています。
家庭における半導体
半導体は、家庭にある多くの製品に使用されています。たとえば、ルーターやスマートフォンなどの通信機器、冷蔵庫やエアコンなどの家電製品に組み込まれています。それぞれの製品が動作するのは、半導体が複雑な処理を可能にしているためです。半導体はあらゆる製品の中で活躍しており、生活を影で支える重要な存在といえます。
社会における半導体
半導体は、電車や新幹線などにも使用されており、社会インフラを支える技術でもあります。医療機器や医療ネットワークにも組み込まれており、医療の技術の進歩を支える役割をもちます。半導体は高機能化した社会インフラやエネルギー不足の地球環境にも貢献しているため、社会全体に必要とされている技術です。
半導体の主な使い道
半導体は電気を使う多くの製品に使用されています。以下で、代表的な使い道を解説します。
1：家電製品や電子機器
家電製品や電子機器の多くは半導体が使われており、炊飯器やエアコンの温度センサの動作を可能にします。パソコンのCPUやスマートフォンなどにも活用されており、ハードウェアやソフトウェアの制御に必要な技術です。LED照明の省エネを実現しているのも、半導体による働きがあるためです。
2：自動車
自動車は運転支援や走行制御などに半導体の技術が用いられています。自動車には複数のLAN（ローカルネットワーク）が構築されており、自動車の安全性や機能性、快適性の向上につなげています。現在の自動車だけでなく、電気自動車やプラグインハイブリッド車など、次世代の自動車にも半導体は必須です。
3：電車や医療機器
電車のシステムは半導体の制御によって支えられています。飛行機や新幹線などの公共交通機関も同様に、半導体により電気を用いた制御が必須です。医療機器やATMにも半導体が使用されており、精密な制御が求められる技術にも用いられています。社会インフラの運営には、半導体の技術が必要不可欠といえます。
参考記事：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
半導体に秘められている将来の可能性
半導体の技術は進歩しており、システムの効率化やさらなる小型化の可能性を秘めています。省エネ化の技術も進歩すると考えられており、地球環境への負担軽減につなげる活動にも期待できる技術です。今後はIoTの普及やAI技術の発展などによって半導体の需要が増え、より社会全体に必要な役割を担うことになるでしょう。
まとめ
半導体は、社会や身の回りのあらゆる製品の動作を支える技術です。家庭用の電化製品から鉄道インフラまで用途の幅は広く、社会を運営する上で欠かせない存在です。今後はデジタルデバイスの進歩や社会インフラの整備など、活用の幅の増加が予想されます。
参考記事：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
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