半導体は砂からできている？/ NPS株式会社

半導体とは？詳しく解説

　半導体は、スマートフォンやパソコン、車、さらにはAIや自動運転を支える現代の重要な技術です。このページでは、半導体とは何か、どのように動くのか、どこで使われ、なぜ大切なのかを分かりやすく説明します。最後まで読めば、半導体の魅力がきっと分かります。

１半導体って何？

　半導体という言葉は、一般的に使われる場合と、物理学で使われる場合とで意味合いが異なります。一般的に半導体について述べられるときは、電子部品としての半導体デバイス全般のことを指します。それに対し、物理学で使われている本来の意味での半導体は、物質の電気の流れやすさを表します。

２半導体デバイスについて

　半導体デバイスは、IC (Integrated Circuit:集積回路)と非ICに分けられます。

　ICの種類

　・ロジック…演算を行う　「ロジックIC、ASICなど」

　・メモリ…記憶を行う　「DRAM、フラッシュメモリなど」

　・マイクロ…演算と記憶　「マイコン、プロセッサなど」

　・アナログ…信号増幅や変換　「AD/DC コンバータなど」

　非ICの種類

　・オプト…発光・受光　「発光ダイオード、レーザーなど」

　・ディスクリート…トランジスタ単体のこと　「パワー半導体」

　・センサー…温湿度や圧力、加速度などを検出　「圧力センサー、加速度センサー」

３物理学としての半導体

　物質には電気を通す導体と、電気を通さない絶縁体(不導体)があります。その中間にあるのが半導体です。電気の流やすさが、導体と絶縁体の中間(半ば)の物質です。また、電気の流れやすさは電気抵抗率で表されます。電気抵抗率は「Ωcm (オームセンチメートル)」の単位で示され、電気を流しやすい物質ほど抵抗の数値が小さくなります。

　・導体…金、銀、銅、鉄、アルミニウムなど

　・半導体…シリコン、ゲルマニウム、セレン、ガリウムヒ素など

　・絶縁体…ガラス、ゴム、プラスティック、ダイヤモンド、油など

➤抵抗率測定器

４半導体は砂からできている？

　半導体の原料はシリコン(Siケイ素)です。直近の半導体不足を考えると、シリコンはなかなか手に入らないのでは？と感じるかと思いますが、そうではありません。シリコンの原料は地球上のどこにでもある「砂」です。砂以外でも水や岩石、植物などの形でも存在しています。

　砂の中にはガラスと同じ、小粒の酸化シリコンが大量に含まれており、この砂を大量の水素などで還元することで多結晶、さらに多結晶シリコンを精製して単結晶シリコンに仕上げます。

　シリコンバレーのコンピュータ博物館にあるインテルのブースでは、「砂の絵」と「ICチップ絵」が大きく飾られています。

５半導体の性質

　単結晶シリコンは、シリコン原子が規則正しく並んだ構造で、別の物質を含んでいません。しかし、シリコン原子100％の単結晶を製造することは技術的に難しく、実際のシリコンウェハは「99.999999999%」のシリコン原子で構成されています。これをイレブンナインと言います。100％ではありませんが、1000億個のシリコン原子に1つ別の原子がある状態です。純金の99.99%に比べても非常に高純度です。

　この単結晶シリコンは、電気をほとんど通しません。あえて不純物を加えることで、電気を流せるようになります。その半導体は添加する不純物により性質が変わります。

　ｐ型半導体…元素周期表13族のボロンやインジウムを添加

　ｎ型半導体…元素周期表15族のリンやヒ素を添加

➤ｐ/ｎ判定機

６半導体の機能

　半導体の機能は、大きく３つに分類することができます。

　・増幅機能…半導体が小さな電気信号を大きくする。

　・スイッチ機能…半導体が電気を流したり止めたりする。

　・変換機能…光や力などを電気に変換する。

７半導体はどうやって作られる？

　半導体は、驚くほど精密な工程で作られます。主な工程は４つです。