現代社会を支える半導体 (2)

昨日、半導体の機能と実際の動作原理（簡易版）について紹介し、最後にこの画像を貼りました：

このトランジスタはバイポーラトランジスタと呼ばれ、一般にはBJTと呼ばれています。しかし、実際の応用では、もう一つのトランジスタがより一般的に使われています。それは、電界効果トランジスタで、英語ではMOSFETと略されます。

電界効果トランジスタ（MOSFET）

MOSFETはBJTと同様に三つの端子を持ちます。それは、ゲート（gate）、ドレイン（drain）、ソース（source）に加えて、基板（body）があります。

ゲートに電圧を加えることで、ソースとゲートの間に電子のチャネルを形成し、回路を導通させることができます。電圧を加えることで回路の導通を制御できるため、スイッチとしての機能を果たします。

MOSFETがBJTよりも一般的に使用される理由はいくつかあります：

• ゲートとP型基板の間にSi酸化膜があるため、電圧を加えても電流が流れません（高インピーダンス）。そのため、消費電力がBJTよりも少なくなります。
• MOSFETのスイッチング速度（周波数）はBJTよりもはるかに高いです。
• 構造上、MOSFETは通常BJTよりも小型化されています。

これらの利点から、半導体製造プロセスでは通常MOSFETが使用されます。

製造方法

CPUや他の回路にとって、最も基本的なコンポーネントはトランジスタですが、トランジスタの配置や接続方法が重要です。これを実現するために、十分に小型化された状態で行う必要がありますが、現在の最も重要な技術は光エッチング法です。主な原理は、回路を光遮蔽にして、回路図をウェハーに露光することです。

半導体製造プロセスは数nmのレベルまで進化しているため、非常に精密な操作が必要です。最近よく耳にするEUV光は、さらに波長が短く、露光機は半導体製造の鍵となります。光一台の露光機は数十億円にもなります。

パッケージング

エッチングされた回路はウェハー上でパッケージングが必要で、他の人が実際に使用できるようにするためです。内部の回路は比較的脆弱で、外皮で保護する必要があります。また、これらのウェハー上の回路の接点は非常に小さいため、さらなる接続が必要です。同じチップでも異なるパッケージング方法があり、例えばDIP、PGA、SMDなどがあります。

設計方法

CPUは数十億個のトランジスタから構成されています。この規模は数人の手作業で配線や図を描くだけでは達成できず、通常はコンピュータを使用します。現在、主にRTL（Register Transfer Level）を用いて論理回路を設計しており、有名なものにはVerilogがあります。

module half_adder(A, B, sum, c);
  input A, B;
  output sum, c;
  xor (sum, A, B);
  and (c, A, B);
endmodule

このコードは私たちが通常書くプログラムコードに似ていますが、背後の動作は実際の回路に直接変換されるため、通常のプログラムとは少し異なります。実際の回路では、これらは同時に実行されます。つまり、ここでの半加算器はsumを求めてからcarryを求めるのではなく、一つのサイクルで同時に完了します。論理回路が書き終わった後は、まずシミュレーションとテストを行い、期待と一致してから配線を開始します。

様々な応用

トランジスタの応用は非常に多く、すべてを挙げることはできませんが、ここでは2つの一般的な応用を紹介します。

CPU / MCU

CPUやMCUは無数のトランジスタで構成されています。しかし、なぜたくさんのトランジスタが集まることでCPUやMCUが作れるのでしょうか？

CPU内部の回路は非常に簡略化されており、大まかにいくつかの種類に分けることができます：制御ユニット、計算ユニット、記憶ユニットです。制御ユニットは命令に基づいてどのブランチを実行するかを判断し、計算ユニットはデータを計算し、記憶ユニットはデータを保存します。

各ユニットが実際に回路としてどのようにシミュレーションされるかについては、[Day8] プログラムに関するゲーム三選 (2) – TIS-100 と Turing Completeを参照できます。基本的に、すべての機能は論理ゲートで実現でき、論理ゲートはトランジスタで表現できます。

しかし、コンピュータは明らかに0と1だけではありませんよね？ 画面がなぜ多彩で、様々な色を表示できるのでしょうか。確かに、これらの技術には電気信号だけでなく、画面を小さなLEDの集まりとして考え、それぞれの電圧に応じて異なる明るさと色を組み合わせることができます。そうすることで、画面の表示は「この色を表示するために必要な電圧とその位置」を計算することに抽象化されます。

画面の背後にもチップが制御しており、画面のメモリアドレスの値を変更することで色を変えることができます。したがって、全体のプロセスは「どのメモリアドレスの値を変更するかを計算する」という形に簡略化されます。多くの問題が最終的に計算の問題に帰着することがわかります。計算できればCPUを利用できます。

ブーストコンバータ

仮に、ICが5Vまたは12Vの電源を必要としているとしますが、単三電池は1.5Vしかありません。2本でも3Vです。どうすればいいのでしょうか？前述のように、トランジスタには「スイッチ」としての機能があります。ブーストコンバータは電感（コイル）を通じて実現されます。電感には非常に特別な特性があり、電流が変化すると電動勢を生じてその変化を打ち消します。

電源を絶えずオンオフして電感がエネルギーを蓄積し、コンデンサに充電することで、入力電圧よりも高い電圧を得ることができます。こうしてブースト効果を達成します。最初にこの回路を知った時はとても不思議に思いました。ブーストはただスイッチをオンオフするだけなんですね！

もちろん、これは魔法のようなものではありません。理論的には無限大に昇圧できますが、MOSFETと電感が受ける電力は非常に大きく、ほとんど直接短絡するのと同じです。仮に可能だとしても、2本の1.5Vの乾電池のエネルギーは限られており、昇圧しすぎるとすぐに消耗してしまいます。