半導体

半導体とは？

半導体とは？
性質や機能、開発の歴史などを解説

半導体はパソコンやスマートフォン、自動車だけでなく、私たちが普段使っている電子機器や社会インフラのさまざまなところで活躍しています。一方、多くの場合、半導体そのものは一般向けには販売されておらず、詳しく知っている人は少ないのではないでしょうか。
ここでは、私たちの暮らしを支える半導体について、その性質や材料、機能、歴史などを解説します。

文責：ミネベアミツミ株式会社マーケティング部

公開日：2023年6月26日更新日：2023年6月26日

半導体は導体と絶縁体の中間的な性質を持つ物質
半導体の材料
シリコンバレーと半導体
半導体の機能とは？
半導体製品の種類
半導体の歴史
半導体が使われている製品
1. 家庭で使用する電化製品
2. 社会を支える製品
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半導体について

半導体は導体と絶縁体の中間的な性質を持つ物質

半導体とは、導体と絶縁体の中間の性質を持った物質です。導体は、金や銀、銅といった金属に代表される電気をよく通す物質です。一方、絶縁体は、電気を通さない物質で、代表的な素材にゴムやガラス、セラミックなどが挙げられます。これらの中間的な性質を備える半導体は、ある条件では電気を通し、また別の条件では電気を通さないため、その特徴をうまく活用することによって、電流を制御することができます。

半導体の本来の意味はこうした物質やその性質を表すものです。しかし現在では、半導体を活用して作られた電子部品や、それらを集積したトランジスタやIC（集積回路）などの製品の総称としても用いられます。

半導体の材料

半導体の材料で最も多く使われているのは、自然界に潤沢に存在する物質であるシリコン（ケイ素）です。純粋なシリコンそのものはほとんど電気を通さないため、不純物を混ぜて電気を通すように加工することが一般的です。シリコンは加工しやすく、純度を高めたり、不純物を調整したりするのが容易だということも、半導体に多く使われる理由のひとつでしょう。

さらに、シリコンは光や熱などのエネルギーを受けても、比較的安定した電流制御が可能というメリットがあります。半導体にはシリコン以外にも、ゲルマニウムやセレン、カーボンなどが使われますが、これらの理由からシリコンが主流となっています。

シリコンバレーと半導体

米国のカリフォルニア州サンフランシスコにある、シリコンバレーと呼ばれる地域の名前も、半導体に由来しています。半導体を活用した電子部品のひとつであるトランジスタを発明した、ウィリアム・ショックレーが半導体の研究所を設立したことがシリコンバレーの発展のきっかけです。研究所設立後、シリンコンバレーには、エレクトロニクスやコンピューター関連企業をはじめとする最先端技術を扱う企業が集積されました。これらの企業のさまざまな製品に使われる半導体の素材がシリコンであることから、シリコンバレーと呼ばれるようになったのです。

半導体の機能とは？

半導体にはどのような機能があるのでしょうか。半導体が持つ3つの機能について紹介します。

電気の流れを制御する

半導体の機能は、電気の流れを制御することです。半導体は導体と絶縁体の中間の性質のため、電流を制御することができます。この特性を利用することで、電流のオンとオフの切り替えや、電流の一方向のみへの通電などのコントロールが可能です。オンとオフの切り替えはトランジスタやインバーター、一方向への通電はダイオードやコンバーターで活用されています。

電気信号を増幅する

電気信号を増幅することも半導体の機能です。微弱な電流でも、半導体を活用することで電流を大きくすることが可能です。例えばラジオの場合、微弱な電波を受信し、半導体が増幅することで、スピーカーから大きな音を発することが可能となります。

電気エネルギーと光を変換する

電気エネルギーと光を変換することも、半導体の機能です。半導体は電気のエネルギーを光に変換することができます。LEDや有機EL、レーザーなどはこの機能を活用して開発されました。エネルギーの大きさによって、放出される光の種類が異なります。

また、光エネルギーを電気に変換することも、半導体の機能のひとつです。太陽光発電用のパネルやスマートフォンのカメラに使われているCMOSセンサーは半導体のこの機能を活用しています。光エネルギーを直接、電気エネルギーに変換できる点が特徴です。

半導体製品の種類

半導体製品にはさまざまな種類があります。ここでは代表的な5つを紹介します。

種類	特長
ディスクリート半導体	ひとつの素子にひとつの機能がある半導体。トランジスタやサイリスタなどの種類がある
オプト半導体	光と電気エネルギーを変換する半導体。LEDなどに活用される
センサー半導体	物理的、化学的な現象を電気信号やデータに変換する半導体。温度や光、圧力、加速度、磁力、色などを検出する
ロジック半導体	演算処理やデータの制御が可能な半導体。CPUやGPUに活用される
メモリー半導体	情報を保存できる半導体。パソコンや家電製品など幅広く使用される

ミネベアミツミの半導体製品

半導体の歴史

半導体は現代社会に欠かすことのできない存在となっています。その誕生は、およそ150年前までさかのぼります。半導体がいつ誕生し、どのように進化していったのか、その歴史を見てみましょう。

1870～1930年代：ダイオードの誕生

1870年代に鉱石に整流作用があると発見されたことが半導体の歴史の始まりです。鉱石の整流作用を活用して、セレン整流器や鉱石検波器と呼ばれるダイオードが開発されました。初期のダイオードには黄鉄鉱や方鉛鉱などが使用されていましたが、その後、技術の発展とともにゲルマニウムやシリコンなどの素材に移行していきました。

1940～1950年代：トランジスタの発明

1940年代後半のトランジスタの発明が半導体の歴史の転換点です。1947年に米国のジョン・バーディーンとウォルタ・ブラッテンによって点接触型トランジスタが、1948年にはウィリアム・ショックレーによって接合型トランジスタが発明されました。

それまでは真空管の利用が一般的で、ラジオや計算機、コンピューターの電子回路にも真空管が使われていましたが、真空管には物理的な大きさと、膨大な電力を消費するデメリットがありました。そのため、小型で消費電力も小さいトランジスタの発明は、量産性にも優れていた点が画期的だったのです。

1960～1970年代：ICの発明

1960年代から1970年代にかけてのICの開発の進展で、半導体の歴史がさらに発展します。ICは1959年に米国で発明されました。ICは、ひとつの基盤の上にトランジスタやコンデンサなどを集積したものです。ICの開発により部品点数が削減され、小型軽量化が図られました。また、信頼性の向上にも寄与し、電子機器の発展のきっかけとなりました。

例えば、ICを活用することで、小型化された電子式卓上計算機が開発されました。1970年代には日本国内でも多くのメーカーが電卓を生産するようになり、広く普及していったのです。

1980年代以降：ICの多機能化

1980年代以降も半導体は進化を続けています。ICはさらに集積度が向上し、LSI（大規模集積回路）が登場しました。LSIはさらに、80年代には10万～1,000万個の半導体素子を集積したVLSI（超大規模集積回路）、90年代には1,000万個超の半導体素子を集積したULSI（超々大規模集積回路）へと発展していきました。

2000年代に入るとさらに複雑化したシステムLSIの開発が盛んになり、生産も本格化しました。システムLSIとは、機能や種類の異なる複数の集積回路をひとつのLSIに集積し、全体でひとつのシステムとして機能する製品です。集積回路の発展に伴い、半導体が応用される分野は広がり、現在では私たちの生活に欠かせない存在となっています。

半導体が使われている製品

半導体は私たちの身の回りにある、ありとあらゆる製品に使われています。具体的にどのような製品に使われているのか、家庭で使う電化製品と社会を支える製品の代表例を紹介します。

家庭で使用する電化製品

家庭で使用するほとんどの電化製品に半導体が使われています。例えば、エアコンの温度制御や電子レンジの電源回路、温度センサーなどに半導体が使われています。また、パソコンやスマートフォンのCPUやメモリーはもちろん、通信装置やディスプレイにも半導体は欠かせない存在です。

また、4Kや8Kといった高画質テレビも半導体なくして実現することはできません。半導体は膨大な映像データを高速に処理することなどに活用されています。このほか、洗濯機や冷蔵庫、LED照明といったものにも半導体は使われています。

社会を支える製品

スマートフォンを使うための基地局やデータセンターといった通信インフラも半導体によって成り立っています。また、社会を支える製品にも半導体が使われています。電車や飛行機といった公共交通機関にも、半導体が欠かせません。高効率な電力制御によって消費電力を抑えることができます。さらに、銀行のATMや医療機器など、高い信頼性が必要となる機械にも用いられています。

さらに、半導体と強く関わっているのが自動車産業です。特に、今後増加が見込まれる電気自動車や自動運転の車においては、半導体の重要性が増していきます。例えば、効率の良いモーター動力の制御、安全な自動運転のための周辺情報のセンシングや通信といった、重要な機能の実現に使用されます。