昨今よく耳にする半導体不足
ただ、半導体と一括りにしても教科書で習ったトランジスタなどからCPUまでと覚えることがたくさんありますよね。
今回はそんな半導体の種類の分類や歴史、経済指標に至るまで解説していこうと思います。
1.半導体とは？
電気を通す「導体」と、電気を通さない「絶縁体」の違いを知っていますか？
例えば、金属は導体で、ゴムは絶縁体です。では、電気を通すことも通さないこともできる物質は存在するでしょうか？実は、そんな不思議な物質があります。
それが「半導体」です。
半導体とは、導体と絶縁体の中間の性質を備えた物質です。
半導体は、そのままでは電気をほとんど通しませんが、温度や光・磁場・電圧・電流・放射線などの外部からの刺激を受けると、その導電性が顕著に変わります。
この性質を利用して、電子機器の中で電気信号の制御や増幅、変換などの役割を果たす「半導体素子」が作られます。
半導体素子の代表的なものに、「トランジスタ」と「ダイオード」があります。
トランジスタは、電流や電圧を増幅したり、スイッチングしたりすることができる素子です。
ダイオードは、一方向にしか電流を流さない素子です。
これらの素子を組み合わせて、「集積回路」と呼ばれる小さなチップにまとめることで、コンピューターやスマートフォンなどの高度な機能を実現しています。
半導体素子の材料として最もよく使われる物質は、「シリコン」です。
シリコンは地球上に豊富に存在する元素で、砂や岩石に含まれています。
シリコンは純粋にすると絶縁体に近い性質を持ちますが、微量の不純物（ホウ素やリンなど）を加えることで、半導体に変化します。このように不純物を加えることを「ドーピング」と呼びます。
ドーピングされたシリコンは、「p型」と「n型」の二種類に分けられます。
p型は正の電荷（ホール）が多く、n型は負の電荷（電子）が多くなります。
p型とn型のシリコンを接合することで、トランジスタやダイオードが作られます。
2.半導体が使われる理由は？
では、なぜ半導体がコンピュータに使われるのでしょうか？
その理由は、半導体素子が持つ「スイッチング機能」にあります。
スイッチング機能とは、電気信号のオン（1）とオフ（0）を切り替えることができる機能です。
この機能を持つ半導体素子の代表例が、「トランジスタ」です。
トランジスタは、p型とn型のシリコンを接合して作られます。
p型とn型のシリコンは、それぞれ正の電荷（ホール）と負の電荷（電子）の多い物質です。
トランジスタには入力端子（ベース）、出力端子（コレクター）、共通端子（エミッター）の3つの端子があります。
ベースに電圧をかけると、コレクターからエミッターへの電流が流れます。ベースに電圧をかけないと、コレクターからエミッターへの電流は流れません。このようにして、トランジスタはオンとオフを切り替えることができます。
このスイッチング機能が、コンピュータにとって便利な理由は、情報処理を可能にするからです。
コンピュータは、オン（1）とオフ（0）の二進数（ビット）で情報を表現します。
例えば、文字や数字や画像などは、ビットの組み合わせで符号化されます。
ビットは、トランジスタのオンとオフに対応し、トランジスタはビットを表現することができます。
またトランジスタ同士を組み合わせることで、「論理回路」と呼ばれる基本的な情報処理装置を作ります。
論理回路は、ビット同士の演算（AND・OR・NOT・XORなど）や記憶（フリップフロップなど）を行うことができ、これらの論理回路を組み合わせて、「算術論理演算装置（ALU）」や「レジスタ」、「メモリ」、「CPU」などの高度な情報処理装置を作ることができます。
このようにして、トランジスタのスイッチング機能を利用して、コンピュータは情報処理を行うことができます
3.半導体の種類って何があるの？
半導体の種類分けは機能の分類から、素材による分類、構造による分類など様々なものが存在します。
今回はいくつかの半導体の種類分けを用いて、どのような半導体が存在するのかについて解説していきたいと思います。
半導体機能による分類
半導体機能による分類になります。
半導体の種類が多いとこともあり、今回紹介できない種類の機能もたくさんあります。
今回はその一部を代表例として紹介いたします。
ダイオード
構造：N型半導体とP型半導体をくっつけた構造です
機能：一方向にしか電流を流さない性質を持ちます
使用例：電流の整流や制限、発光や検出などに使われます
製品例：LED（発光ダイオード）、フォトダイオード（光検出ダイオード）、ゼナーダイオード（定電圧ダイオード）など
トランジスタ
構造：N型とP型を交互に重ねた3層構造を持つ半導体素子
機能：中間層に電圧をかけることで、両端層の間の電流を制御できます
使用例：電流や電圧の増幅やスイッチングなどに使われます
例：バイポーラトランジスタ（NPN型やPNP型）、FET（電界効果トランジスタ）、MOSFET（金属酸化膜電界効果トランジスタ）など
メモリ
構造：メモリセルやコンデンサなどによる電荷保存構造
機能：電気信号を記憶
使用例： データの保存や読み書きなどに使われます
例：ROM（不揮発性メモリ）、RAM（揮発性メモリ）、フラッシュメモリ（不揮発性メモリ）など
SoC（システム・オン・チップ)
構造：複数の半導体素子や回路を一つのチップに集積
機能：高度な計算処理などが可能
使用例：コンピュータやスマートフォンなどの高性能機器の演算装置に使われます
例：CPU（中央処理装置）、GPU（グラフィック処理装置）、DSP（デジタル信号処理装置）など
素材による分類
半導体は、その素材によって様々な特徴を持ちます。
代表的な素材としては、以下のものがあります。
シリコン（Si）
特徴：最も一般的な半導体素材で、安価で大量生産が可能
用途：コンピュータやスマートフォンなどの集積回路や太陽電池など
ゲルマニウム（Ge）
特徴：シリコンよりも導電性が高く温度変化に強いが、製造コストが高く、耐久性が低い
用途：トランジスタやダイオードなど
炭化ケイ素（SiC）
特徴：シリコンよりも耐熱性や耐圧性が高く高温や高圧下でも安定して動作しますが、製造コストが高く結晶欠陥が多い
用途：パワー半導体やLEDなど
窒化ガリウム（GaN）
特徴：シリコンよりも帯域幅が広く、高周波や高出力に適していますが、製造コストが高く熱伝導率が低い
用途：レーダーや通信機器やLEDなど
ダイヤモンド
特徴：最も理想的な半導体素材で耐熱性や耐圧性や帯域幅が非常に高く、環境に優しいが製造コストが非常に高く、実用化されていない。
構造による分類
半導体の結晶構造によって品質や製造コストなどが大きく変わってきます。
構造による種類分けは下記の通りとなっています。
単結晶
構造：原子が規則的に並んだ結晶構造
特徴：純度が高く、品質が安定しています。しかし、製造コストが高く、大きさに限界があります。
多結晶
構造：原子が不規則に並んだ結晶構造
特徴：純度が低く、品質がばらつきます。しかし、製造コストが低く、大きさに制限がありません。
アモルファス
構造：原子が無秩序に並んだ非結晶構造
特徴：純度が非常に低く、品質が不安定です。しかし、製造コストが非常に低く、柔軟性や透明性があります。
導体型による分類
現在ではN型、P型、NPN型、PNP型などが単体の製品として売り出されることは少なくなってきています。
その代わり、どんな半導体製品でもこのN型、P型を大量に組み合わせて大規模な演算装置を作り上げています。
N型
特徴：電子を運ぶことができる
構造：シリコンなどの半導体に、リンやヒ素などの不純物を添加
利用例：N型は負極として使われます
P型
特徴：正孔（電子の欠けた部分）を運ぶことができる
構造：シリコンなどの半導体に、ホウ素やアルミニウムなどの不純物を添加
利用例：正孔は正の電荷を持つため、P型は正極として使われます
NPN型
特徴：NPN型は、中間のP型に電圧をかけることで、両端のN型の間に電流を流すことができます
構造：N型とP型とN型を重ねた構造
利用例：トランジスタやダイオードなどの半導体素子に使われます
PNP型
特徴：PNP型は、中間のN型に電圧をかけることで、両端のP型の間に電流を流すことができます
構造：P型とN型とP型を重ねた構造
利用例：トランジスタやダイオードなどの半導体素子に使われます
4.半導体の歴史
半導体の歴史は大きく分けると、以下の4つの時代に分類できます。
それぞれの時代にどのようなことが起こったのかを見ていきましょう。
| 時代 | 特徴 |
| 1950年代～1960年代 | 『トランジスタの時代』 |
| 1970年代～1980年代 | 『DRAMの時代』 |
| 1990年代～2000年代 | 『マイクロプロセッサの時代』 |
| 2010年代～現在 | 『SoC（システム・オン・チップ）の時代』 |
1950年代〜1960年代
1950年代～1960年代は、トランジスタの時代でした。
トランジスタは、電流や電圧を増幅やスイッチングすることができる半導体素子です。
トランジスタは、1947年にアメリカで発明されましたが、日本でも1952年に東芝が国産化に成功しました。
その後、日立や三菱電機なども参入し、トランジスタを大量生産する技術力や品質管理力を高めていきました。
1970年代〜1980年代
1970年代～1980年代は、DRAM（Dynamic Random Access Memory）の時代でした。
DRAMは、データを一時的に記憶することができる半導体素子です。
DRAMは、1970年にアメリカで発明されましたが、日本でも1973年に東芝が国産化に成功しました。
その後、NECや日立なども参入し、日本はDRAMを高速化や高密度化する技術力やコスト競争力を高めていきました。
1980年代には、世界シェアの上位5社がすべて日本企業でした。
1990年代〜2000年代
1990年代～2000年代は、マイクロプロセッサ（CPU）の時代でした。
CPUは、データを処理することができる半導体素子です。
CPUは、1971年にアメリカで発明されましたが、日本でも1974年に東芝が国産化に成功しました。
その後、NECや日立なども参入し、日本はCPUを高性能化や低消費電力化する技術力や設計力を高めていきました。
しかし、1990年代後半からはアメリカのインテルやAMDが技術革新で優位に立ち、日本のシェアは低下しました。2000年代には、日本のCPUメーカーはほとんど撤退しました。
2000年代〜現在
2010年代～現在は、SoC（System on Chip）の時代です。
SoCとは、CPUやメモリなどの複数の半導体素子を一つのチップに集積したものです。
SoCは、2000年代に台湾で発明されましたが、日本でも2010年にルネサスエレクトロニクスが国産化に成功しました。
その後ソニーや東芝なども参入し、日本はSoCを高機能化や多様化する技術力や開発力を高めていきました。
しかし2010年代後半からは、台湾のTSMCや韓国のサムスンが製造技術や投資力で優位に立ち、日本のシェアは低下しました。
5.SOX指数(フィラデルフィア半導体株指数)とは？
半導体は、コンピューターやスマートフォンなどの電子機器に欠かせない部品です。
半導体の需要や供給は、世界の経済や技術の動向に影響されます。
半導体関連株のパフォーマンスを測る指標として、SOX指数（フィラデルフィア半導体株指数）があります。
SOX指数とは、アメリカのフィラデルフィア証券取引所が算出・公表している修正済み時価総額加重平均型指数です。
半導体の製造・流通・販売を手掛ける企業（インテル、AMD、クアルコムなど30銘柄）の株式で構成されています。
もっと詳しく知りたい方は下記URLを参照下さい。
コメント