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半導体素子

ここでは半導体素子(はんどうたいそし)や半導体部品(-ぶひん)英:semiconductor device セミコンダクター・デバイスについて解説する。半導体素子とは、半導体(英:semiconductor)による素子である。半導体部品とは半導体による部品(電子部品)のことである。半導体素子は、半導体の電子工学的な特性を利用し、電子部品の中心的機能を担っている。半導体は固体状態だという特徴があるので、「ソリッドステート・デバイス」という用語も「セミコンダクター・デバイス」とほぼ同義に用いられている。半導体素子にはトランジスタや集積回路(IC・LSI)、抵抗、コンデンサなどがあり、テレビ受像機、携帯電話、コンピュータといった電気製品(電子機器)のほとんどに内蔵され、さらに自動車や各種産業機器などにもコンピュータなどの形で組込まれており、その工学上の重要性は非常に大きい。また経済上の重要性も非常に大きく、世界の半導体市場の売り上げは2009年で2,284億ドルであった。半導体素子が一般的に使われる前には、電子機器内の能動素子としては真空や気体を利用した電子管(真空管など)が使われていた。しかし、半導体素子には次のような特徴があるため、殆どの応用分野で電子管を代替し、凌駕した。当初電子管に比べて不利とされていた弱点についても、それを補う方法が開発され、さらに広く普及した。殆どの半導体素子は、単結晶シリコンを使用するが、他に利用される材料としてゲルマニウム、ヒ化ガリウム (GaAs)、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム (GaN)、炭化珪素 (SiC)、等がある。半導体材料の伝導性は、結晶構造中の自由電子の過不足を生む不純物に依存する。通常多数キャリア(majority carrier)(N型半導体では電子、P型半導体では正孔)を通じて担われる。しかし、トランジスタなど多くの半導体素子では、動作するためには少数キャリア(minority carrier)N型半導体では正孔、P型半導体では電子が必要である。半導体の整流効果(電流を一方にだけ良く通す性質)は、元来は方鉛鉱の結晶で発見された。初期のラジオ受信機(鉱石ラジオ)では、鉛の保持具に埋め込んだ方鉛鉱の結晶の表面に「猫のひげ」と呼ばれた細い金属線をわずかに接触させたものが用いられた。もっとも初期のタイプである。ゲルマニウムなどの半導体表面に針を刺して各端子にする物である。1945年にダイオードが、1948年にトランジスタが開発された。点接触形ダイオードは端子間容量が小さく、高周波特性が良いので検波用ダイオードとして広く用いられ、今日でも特定用途に生産されている。他方、点接触形トランジスタは、トランジスタ発明当時の姿であり、エミッタ端子とコレクタ端子との間隔を微小に保つことの困難さや、動作の不安定さなどからまもなく接合型トランジスタに取って代わられた。この方式以外の半導体は、原則としてすべて接合型構造に分類される。純粋な半導体の単結晶を溶融半導体中に入れ、ゆっくり引き上げ棒状に成長させるものである。ゲルマニウムトランジスタ全盛期に一般的だった製法である。ゲルマニウムの薄いN型単結晶を、アクセプタとなるインジウム等の金属粒で両面から挟んで熱接合し、合金部分から拡散したアクセプタによってPNP構造を形成したもの。(NPN型もあったが、Siトランジスタでは使われなかったと思われる)断面が台地(メサ)状で、厚み方向に電流を流すものである。PN接合ダイオードの場合PN、バイポーラトランジスタの場合PNP/NPN、サイリスタの場合PNPN構造を形成する。2000年代では、大電力用パワーデバイスのみに使用されている。同一平面上に端子用電極を形成したものである。電流経路を短くすることが可能で高周波特性が良いなどの特徴がある。また、微細加工により多くの素子を並べて写真技術の応用で製造できるためばらつきが少なく大量生産に向く。この特徴を生かしてモノリシック集積回路が発明された。半導体素子には、トランジスタ、ダイオード(整流器)・発光ダイオード (LED) 等がある。こういった単体の半導体素子は「ディスクリート半導体」(個別半導体)と呼ばれる個別部品として生産・使用されているが、多数の半導体素子を一括して作成した集積回路 (IC, LSI) の方が流通量や産業規模としても大きな位置を占めている。集積回路になると、トランジスタやダイオードといった能動素子に加えて、抵抗やコンデンサといった受動素子も半導体素子として構築される。パワーエレクトロニクスにおいては電力機器用の電力用半導体素子があり、高電圧、高電流を扱える。2端子素子は通常「ダイオード」と呼ばれる。素子のオン状態およびオフ状態を外部から与える信号によって任意に切り替えられることが出来るものを自己消弧素子という。ファブレスとは、自社内に製造部門を持たずに開発や設計を行い、他社に製造を委託すること、またはその会社を指す。詳細はファブレスを参照。

出典:wikipedia

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