現代社会を駆動する半導体

半導体は、私たちの生活の至る所に存在していると言えます。私たちの周りの電子製品、携帯電話、スマートウォッチ、ヘッドフォンから、コンピュータ、電子レンジ、炊飯器、冷蔵庫、さらには自動車、地下鉄、飛行機に至るまで、ほとんど全てに半導体が使われています。では、半導体の何が特別なのでしょうか？なぜ半導体製造を行う台積電が「国の守護神山」と呼ばれるのでしょうか？

半導体は電（磁）力を制御する素子

半導体の素晴らしいところは電流と電圧を制御できることです。このことは一見簡単に思えますが、非常に広い視点から見ると、どんな電化製品や3C製品が動作するためには、電力の正確な制御が不可欠です。

電流と電圧を制御できるだけでなく、半導体は信号を増幅する機能も持っています。例えば、スピーカーは電流によって電磁場を生成する原理を利用しているため、特定の周波数に達するように電流を制御することで、スピーカーと空気が共振して音を発生させます。しかし、信号の電流が非常に小さい場合、そのままスピーカーに接続すると音が小さく、あるいは全く音が出ないこともあります。半導体は電流を増幅し、本来微弱な信号でもスピーカーを駆動できるのです。

すべては砂から始まる

砂の主成分は二酸化ケイ素で、これを精製することで粗いシリコン、つまり半導体の主要成分であるシリコン（Silicon）が生成されます。

次に、蒸留や他の化学反応を通じて純度を高める必要があります。純度が不十分だと欠陥が発生しやすくなります。次のステップはシリコンウェハの製造であり、これはIC製造の基本要素です。その後、さまざまな処理を経て回路がウェハに転写され、封止とテストを経て、私たちが目にするさまざまなICが完成します。このプロセスは簡単に聞こえますが、砂からウェハに変わるのは、自宅でこねたからといって簡単にできるものではなく、全てのステップは企業の全力を尽くしたリソースが必要です。

数億のトランジスタを小さなCPUに詰め込むことができ、なおかつそれが正確に機能することは、人類文明の奇跡と言えるでしょう。

しかし私にとって最も驚くべきことは、自然界にあふれる砂が、現代の科学技術を構成する基盤であり、結局すべては自然から派生しているということです。

シリコンの何が特別か？

私たちは半導体の成分が砂から来ている（さまざまな加工を経た後）ことを理解しましたが、シリコンにはどのような特性があるため、半導体産業がこれほどまでにシリコンに依存しているのでしょうか？まず明確にしておきたいのは、シリコンだけが半導体として使用できるわけではありません。ただ、シリコンの原料が手に入りやすいため、通常はシリコンを使用するのです。

カギとなるのはシリコンの原子構造です。シリコンの最外層には4つの電子があります。これらの電子はエネルギーを受け取ると、比較的簡単に原子の束縛を離れて自由に動く電子になります。一度電子が移動できれば、電流を形成することができます。

原子の導電性は、価電子が自由電子になる難易度によって決まります。絶縁体は電子が束縛から解放されにくいため自由電子を形成できず、導体はあまりエネルギーを必要とせず、通常の温度でも大量の自由電子を生成できるため導電性を持っています。

半導体の最大の特徴は、普段は導電しないが、電位差（電圧）がかかると自由電子として導電性を発揮できることです。

ドーピング（doping）

半導体の導電性をさらに向上させるために（この段落はシリコンを例に取ります）、他の不純物元素を加えるプロセスをドーピングと呼びます。

もしドーピングする元素が三価元素であれば、P型半導体になります；五価元素であれば、N型半導体になります。ドーピングによって内部構造の電子がより流動的になり、半導体の導電性が向上します。

P型半導体とN型半導体を結合すると、ダイオードが形成されます。ダイオードの最大の特性は、順方向電圧がかかると導通しますが、逆方向電圧がかかると導通しないことです。

トランジスタ

ドーピング濃度を調整し、元のダイオードの間にもう1層半導体を加えることで、トランジスタが形成されます。NPNトランジスタの例を挙げると、この3層の半導体はそれぞれエミッタ（emitter）、ベース（base）、コレクタ（collector）と呼ばれます。

主な特性は、ベースとエミッタに順方向バイアスをかけると、ベースのドーピング濃度の違いにより、電子が移動する際の一部がコレクタ（N型半導体）に向かい、更にエミッタとコレクタが導通することです。

簡単に言うと、ベースとエミッタの入力電圧（高電位と低電位）を制御することで、エミッタとコレクタの導通を制御し、スイッチの効果を実現します。

スイッチの効果だけでなく、トランジスタは増幅回路としても使用できますが、ここではスイッチ作用についてのみ説明します。

電路を理解する際に、よく言われる電流の方向は、実際の電子の流れとは反対であり、電路内で移動できるのは電子だけです。なぜこのように表現するかというと、人々が正から負へという概念に慣れているからです。

ロジックゲート

さて、スイッチ構造ができたので、ロジックゲートを実装することができます。例えば、AND回路を作る場合は次のようにします：

AとBの両方に電圧がかかると、全体の回路が導通し、ANDの効果を達成します。

下の図はトランジスタとキーボードの比率図です：

半導体産業

このようなトランジスタは非常に小さいですが、明らかにトランジスタの数が億単位に及ぶ現代のCPUにとっては、まだ大きすぎます。したがって、現代の半導体産業の最も大きな課題は、限られた面積にどれだけ多くのトランジスタを詰め込むかということです。1970年代の製造プロセスは10umでしたが、現在では5nmに達しており、面積は1970年代の2000倍小さくなっています。

いくつかの考え

私自身、将来的に半導体製造プロセスが一般家庭にも普及することを願っています。3Dプリントのように。ナノプロセスは必要なく、マイクロプロセスでも、あるいはそれ以上でも構いません。一般の人々が集積回路を製造できるようになればと思います。

Upgraded Homemade Silicon Chips

現在のところ、設備さえあれば、実現はそれほど難しくはないようです。しかし、動画に出てくる設備は高価で、一般家庭にはそのためのスペースもないかもしれません。今後、集積回路の製造方法に大きな変革をもたらす革新的な技術が現れるかどうか、楽しみです。