みんながわかる半導体-1(半導体とは)

　需要があればシリーズ化して書いていこうと思います。需要がなかったらどこかの出版社のように途中で辞めます。そこは許してください。。。
　自分は研究開発よりも製品開発の方に長くいたので、小難しい物理や説明よりも実際のところどのように考えて行動に移せば良いのかの判断が重要だと思っています。もちろんそれには基礎的な学問が必要でそれは有名な教科書や大学に任せた方が良いかと思っています。決していらないとは言っていません。必要です。
　今回は皆さんが興味を持っている半導体とはを簡単に説明したいと思います。可能な限り数式は使いません。

物質を大きく分けると？

　世の中にある物質を大きく分けると大体5つに分けることができます。

• 絶縁体

• 半導体

• 伝導体

• 磁性体

• 反磁性体

　ここで磁性体と反磁性体は置いておきます。最初の３つに着目すると、電気を流さないものは絶縁体、電気を流すものは伝導体、半分流すものは半導体です。

　という風に回答すると怒られます。決して半導体のところを間違わないでください。半分電気を通すって意味不明ですよね。半分電気を通したら伝導体ですよね。なので簡単な言葉で半導体をきちんと表現しておく必要があります。

半導体とは

　色々な書物や自分の経験から言うと、

半導体とは電気伝導度を外部要因制御により容易に変更可能な物質

と言うのが簡単ではないかと思います。

　代表的な半導体材料はシリコンです。シリコンは絶対零度付近では絶縁体ですし、不純物を導入する場合は非常に高い抵抗値を示します。しかし適切な不純物を導入することで伝導率を容易に制御できます。

半導体材料に必要な要件とは

　産業的に使用するにはいくつか制約があると思っています。それらに関してまとめてみます。あくまで産業的な観点から書いているので材料物性学的観点とか個体物学的観点では書いていません。冒頭に示した、電気伝導度を外部要因制御により容易に変更可能な物質という部分はすでに満たした材料が複数あり、その中で半導体材料として産業的使用するにはどのような要件があるかを話していきます。

• 原材料を容易に入手できる

• 加工が安価でかつ容易にできる

• 加工後の材料の状態が安定している

以下に簡単な理由を書いていきます。

原材料を容易に入手できる

　これは産業的に非常に重要な要素となります。深海に潜らないと入手できないとか、放射能が常に出ており近づくのが困難なところにある。となるとコストがかなり掛かり特殊用途以外では使用できません。なので原材料が容易に入手できるは非常に重要です。

加工が安価でかつ容易にできる

　原材料を取ってきて、そのまま使えるが理想ですが、あまりそのようなものは見たことがありません。なので使用できるようにするまでに加工が必要になります。この加工が安価にでき容易であることが産業的に重要です。加工に特殊技術や制約があるとコスト高になるからです。

加工後の材料の状態が安定している

　加工後の状態が不安定だと、保存や持ち運びが困難になってしまいます。理想な状態は室温でかつ常温で持ち運びができるです。特殊な条件が必要になるとこれもコスト高の要因となます。

　これらの条件を満たす半導体材料を探すと、意外と限られていること気がつくと思います。

シリコンは半導体材料としてなぜ広まったのか？

　上記の条件を考えた場合に、シリコンはどうかを考察してみましょう。まず原材料の入手容易性ですが、これはかなり簡単です。品質を考えなければ皆の目の前にあります。そうガラスです。ガラスの中にはシリコンが含まれております。なので最悪ガラスを溶かして精錬すればシリコンを取り出せます。
　産業的にコストなどを考えると、もっと品質が良いシリコンが出てくる鉱山とかで掘り出すのが一般的です。

　加工に関しては、かなりの技術開発が行われており巨大な単結晶を作成することができます。現在主流のサイズは直径が300mmのものです。色々なノウハウがありますが、加工方法は結構シンプルです。溶かしたシリコンを坩堝から引き上げる方法です。強大なものを不純物を少なくして作成するのがノウハウとなります。ただ原理は非常に簡単です。信越半導体やSUMCOなどが世界的シェアを持っており高品質なシリコン基板を供給しています。　
　
　加工後の状態に関しては、安定というか安心が持てます。シリコンが酸化するとSiO2ができます。この膜は非常に安定しており大気中で発火などはしません。また他のものを溶かしたりとかもしないので、運搬が非常に容易です。

　ということで、シリコンは半導体材料としては非常に優秀であると言えます。半導体の歴史をまとめた書籍を読むと色々な苦労や発見が書かれています。ご興味がある方は一度読んでみてください。

まとめ

　最初ということで半導体とは？から始まり半導体材料として必要な要件に関してまとめました。反響が大きければ続きを書いていこうと思います。