半導体とは何か

電気を通す金属と、電気を通さないゴムやガラスの間にある物質としての半導体を、身近な例から説明する。条件しだいで電気の通りやすさを変えられることが、半導体が役に立つ理由である。

電気を通すもの、通さないもの

身の回りの物質は、電気の通りやすさで大きく三つに分けられる。

一つ目は、電気をよく通す「導体」である。銅やアルミニウムなどの金属がその代表で、電線の芯に使われている。

二つ目は、電気をほとんど通さない「絶縁体」である。ゴム、ガラス、多くのプラスチックがこれに当たる。電線の外側を覆うビニールは、電気が外に漏れないようにするための絶縁体である。

三つ目が、導体と絶縁体の間の性質を持つ「半導体」である。名前のとおり、導体と絶縁体の中ほどの性質を持つ。ただし、半導体の大切な点は、通しやすさが中くらいであることそのものではない。

電気の通りやすさを変えられる

半導体の大きな特徴は、条件によって電気の通りやすさが大きく変わることである。

たとえば、温度が上がると電気を通しやすくなる。光が当たると電気を通しやすくなるものもある。これは、熱や光のエネルギーを受け取ることで、物質の中を動ける電子が増えるためである。金属は、温度が上がるとかえって電気を通しにくくなるので、半導体とは反対の性質を持っている。

さらに大きいのは、ごくわずかな別の元素を混ぜることで、電気の通りやすさを思いどおりに変えられることである。混ぜる元素の種類によって、電気を運ぶものが電子になるか、電子の抜けた穴になるかも決められる。この仕組みは、次のページ「電子と正孔、n型とp型」で説明する。

通りやすさを変えられると、何ができるか

電気の通りやすさを外から変えられると、電気の流れを止めたり流したりする「スイッチ」を作れる。半導体で作るスイッチには、手で動かす部品がない。電圧をかけるだけで切り替わるので、とても小さく作れ、とても速く切り替えられる。

このスイッチを「トランジスタ」と呼ぶ。トランジスタは、小さな信号で大きな電流を操る「増幅」にも使える。

コンピューターは、たくさんのスイッチの入と切の組み合わせで計算をしている。スマートフォンやパソコンの中のチップには、非常に多くのトランジスタが詰め込まれている。半導体が電気の通りやすさを変えられる物質であることが、今の電子機器の土台になっている。

半導体の材料

半導体の代表的な材料は、シリコン（ケイ素）である。シリコンは、岩石や砂に多く含まれる元素で、材料として手に入れやすい。表面に質のよい酸化膜を作りやすいことも、シリコンが広く使われてきた理由の一つである。

半導体として使うには、原子が規則正しく並んだ「単結晶」にし、不純物をきわめて少なくする必要がある。こうして作ったシリコンを薄い円盤にしたものが、シリコンウェーハである。

シリコンのほかに、二種類以上の元素を組み合わせた「化合物半導体」もある。炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）は、高い電圧や大きな電流を扱う部品に使われる。ヒ化ガリウム（GaAs）などは、光を出す部品や、高い周波数の電波を扱う部品に使われる。

「半導体」という言葉の二つの意味

「半導体」という言葉は、二つの意味で使われることが多い。

一つは、ここまで説明してきた、電気の通りやすさが導体と絶縁体の間にある「物質」としての意味である。

もう一つは、その物質を使って作った「部品」としての意味である。トランジスタをたくさん集めて回路にした集積回路（IC）や、それを小さな板状に切り出したチップのことを、まとめて半導体と呼ぶことがある。ニュースで「半導体が不足している」と言うときは、多くの場合、この部品の意味で使われている。

このサイトでも、二つの意味の両方を使う。どちらの意味かは、話の流れで判断してほしい。迷いそうなところでは、「半導体の材料」「半導体の部品」のように言葉を補う。

半導体はどこで使われているか

部品としての半導体は、電気で動く製品のほとんどに入っている。

スマートフォンやパソコンでは、計算をするプロセッサー、データを覚えておくメモリ、画面や電池を制御する部品が半導体である。自動車では、エンジンやモーターの制御、ブレーキの補助、周りを見るカメラやセンサーに使われている。家電では、エアコンや冷蔵庫の省エネルギーの運転を支えている。インターネットの先にあるデータセンターでも、大量の半導体が計算とデータの保存を担っている。

電車や送電の設備では、大きな電力を効率よく切り替える部品として使われている。半導体は、目には見えにくい場所で、ほとんどの電子機器を動かしている部品である。

このページのまとめ

半導体は、電気の通りやすさが導体と絶縁体の間にある物質である。その価値は、温度や光、混ぜる元素、かける電圧などの条件で、電気の通りやすさを変えられることにある。この性質を使って、電気の流れを切り替えるトランジスタが作られ、電子機器の土台になっている。

次のページでは、半導体の中で電気を運ぶ「電子」と「正孔」と、混ぜる元素で性質を変える「n型」と「p型」を説明する。