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で、半導体ってなに?

2022/07/28に公開

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半導体ってなに?

最近、半導体不足ってよく聞きますよね。

「半導体って、そもそもなんなの?」
このような疑問を持っている初心者向けに、半導体について、雑に紹介します。
この記事のゴールは、なんとなく詳しくなることです。

最近の技術の発展は、半導体なしではありえません。
それくらいめっちゃ凄いです半導体。

これを機に半導体についてなんとなく詳しくなって頂ければ嬉しいです。

半導体って?

「そもそも、半導体ってなんなの?」

この世の物質は、3 種類に分類できます。

  • 導体:  電気をめっちゃ通す物質
  • 半導体: たまに電気通す物質
  • 不導体: 電気ぜったい通さない物質

導体には、銅とかアルミニウムがあります。半導体には、シリコンなんかがあります。ちなみにシリコンってケイ素の事です。不導体には、ゴムとかガラスがあります。

とりあえずポイントは、「地球上の物質は、電気を通すかどうかで分けられている」 という点です。そして、導体と不導体の間にいるのが「半導体」です。また、一般的に不導体とは言わず、絶縁体(ぜつえんたい)と呼びます。

電気流れるの?流れないの?

ココで疑問が生まれます。
「半導体って、、半ってなに、、?」
「電気を流すの?流さないの?半分だけ流すの?」

困惑します。実はこれ、名前があまり良くないです。半導体とは、「ある条件になった時だけ電流が流れる。それ以外の時は流れない。」という物質です。基本は NG だけど、条件クリアしたら OK だよ~流すよ~。ってことです。

いつ流れるのよ?

じゃあいつ流してくれるのか?

半導体で電流が流れる時の条件は 2 つです。

  • めっちゃ熱いとき
  • なんかゴミが混ざっているとき

半導体の物質の温度を高くしたら、電流をながしてくれます。シリコンをめっちゃ温めたら電気通してくれます。ただ、使い勝手が悪いです。いちいち温めてられないです。

そのため、基本的に、2 つめの「ゴミを混ぜる」という方法を使って電流を流します。

ゴミ?

シリコンに、シリコン以外の物質を少しだけ混ぜてみます。すると、物質の性質が変わります。「ある条件になった時だけ電流が流れる。それ以外の時は流れない。」という物質になります。すごい。

また、性質が変わるので、半導体の中でも分類して考えます。名前もついてます。

  • 真性半導体: めっちゃシリコン。ほぼ 100%シリコン。
  • 不純物半導体: ゴミ混ぜたシリコン。メインはこっち。不純物=ゴミ。

ゴミ(不純物)を混ぜることで、めっちゃ凄いやつに生まれ変わります。こいつが、いわゆる半導体って呼ばれます。

で、結局?

詳しい説明は省きますが、半導体を使うことで、いままで作れなかった部品が作れるようになりました。基本的な部品を 2 つ紹介します。

  1. ダイオード
  2. トランジスタ

半導体が無いとこれらの部品は実現できません。仮に半導体を使わずに、同じ機能を持つ部品ができたとしても、サイズがめっちゃ大きくなってしまいます。半導体すごい。

01 ダイオードってなに?

1 つがダイオードです。めっちゃ基本的な電子部品です。一言で説明するなら、「片側通行」 という部品です。一方向しか電流を流してくれません。電気回路内では、めっちゃありがたい性質です。「片側通行」の機能を、いろいろ応用することで、超便利なことが色々あります。

ちなみに LED もダイオードの 1 種です。光出すよ~っていう種類のダイオードです。半導体すごい。

02 トランジスタってなに?

2 つめがトランジスタです。これもめっちゃ基本的な電子部品です。一言で説明するなら、トランジスタは、「スイッチ&増幅」 という部品です。

このトランジスタをうまく組み合わせることで、AND や OR、XOR などの、論理ゲートを作ることができるようになりました。このような基本の論理ゲートを組み合わせると、CPU などの IC チップが作れます。

つまりトランジスタは、IC チップの元の元の要素となる、めっちゃ基本的な部品です。半導体すごい。

で、便利なの?

パソコンでもスマホでも家電でも電気自動車でも、結局は回路内で電気が流れているだけです。流れているか、流れていないか、どれくらい流れているのか、ってので、動作が決まってきます。

そういう観点では、流す or 流さないという、条件分岐ができる性質を持った半導体は、めっちゃ便利 です。いろいろ制御できるからです。

どこで使われてんの?

CPU とか、メモリとか、RAM とか、SoC とか、いわゆる IC チップは、もろ半導体です。もちろん M1 チップとか、iPhone の A15 チップとかも半導体です。パソコンでもスマホでも家電でも電気自動車でも、ゲーム機でもなんでも、電子機器には全部、半導体チップが入っていると思ってもらっても問題ないです。

で、半導体が足りないらしいじゃん

半導体不足ってよく聞きますよね。
「へー、半導体足りないんだ。なんで?」

半導体は、シリコンつまり、ケイ素でできています。
「ケイ素ってそんなに貴重な材料?」

地球を構成する元素の割合はこのようになっています。↓
酸素 49.5%、ケイ素 25.8%、アルミニウム 7.6%、鉄 4.7%、、、

つまり、ケイ素めっちゃあります。材料には困ってないです。材料はめっちゃあるのに、半導体は不足しているってことです。

なら原因は?

原因を雑に紹介すると、こんな感じです ↓

  • コロナによって、半導体製造メーカーの供給力がダウンしちゃった
  • ただ、半導体めっちゃ便利だから、需要はめっちゃアップした
  • 半導体は作るのめっちゃムズイから、新規参入がかなり厳しい
  • それに加えて、アメリカと中国の仲が悪いから、いろいろ制限があってめんどい

また、需要アップの背景には、こんな要因もあります ↓

  • 今話題の AI を作るためには、めっちゃ高性能な IC が必要なので、半導体の需要 UP
  • 今話題の IoT を作るためには、めっちゃたくさんの IC が必要なので、半導体の需要 UP
  • 今話題のブロックチェーンでお金を儲けるためには、めっちゃ高性能な IC が必要なので、半導体の需要 UP

つまり、需要に対して、供給が間に合ってないってことです。うーん、きびしい。

半導体の会社つくったらぼろ儲けできる?

たしかに。ただ、作るのめっちゃムズイので頑張ってください。

まとめ

半導体について雑に紹介しました。現代社会には必須の、重要な物質(部品)なのに、みんな欲しいから足りないらしいです。半導体関連の従事者の方々、頑張ってください。

今回の記事が、みなさんの理解の第一歩になったら嬉しいです。

補足

今回の記事は、分かり易さ重視でラフな表現で書きました。
実際には違う意味だったり、一部不適切な表現があります。

以下にて内容を補足します。

補足
  • 絶縁体でも、非常に大きな電圧が加わった際には、電流が流れる場合があります。
  • 記事内で「電気」と書かれていますが、実際には電子だったり電流だったり電圧が正しい表記です。
  • 「ゴミが混ざってるとき」=「不純物が添加されている場合」 という意味です。
  • 地球を構成する元素:クラーク数を指しています。地球の地下約 16km までに存在する元素割合です。
  • 材料には困っていないです。  ⇒  材料の調達性や、サプライチェーンには困ってます。

間違っている箇所があれば、ぜひコメントよろしくお願いします。

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