【初心者・子供向け】半導体とは？何ができる？作り方？簡単にわかりやすく

はじめに

【初心者・子供向け】半導体とは？何ができる？作り方？簡単にわかりやすくまとめました。半導体とは、電気をよく通す金属（導体）と、電気をほとんど通さないゴム（絶縁体）の中間の性質を持つ物質です。半導体は、電気を通したり通さなかったりすることができる性質を持つ材料です。この性質を利用して、さまざまな機能を実現することができます。半導体の作り方は、大きく分けて「前工程」と「後工程」の2つに分けられます。

目次

半導体とは

半導体とは、電気をよく通す金属（導体）と、電気をほとんど通さないゴム（絶縁体）の中間の性質を持つ物質です。

例えば、電気を通す銅線と、電気を通さないビニール袋を想像してみてください。銅線は、電気が流れる方向に電子が動くため、電気が流れやすくなります。一方、ビニール袋は、電子が動くのを邪魔する性質があるため、電気が流れにくくなります。

半導体は、銅線とビニール袋の中間のような性質を持つ物質です。電気を流す方向に電子が動く性質はありますが、ビニール袋ほど電気が流れにくくはありません。

半導体は、電気が流れるかどうかを制御できる性質を持っています。例えば、電圧や温度などの外部の影響によって、半導体の導電性を変化させることができます。

この性質を利用して、トランジスタや集積回路などの電子部品が作られています。トランジスタは、電気信号を増幅したり、切り替えたりする役割を持ち、集積回路は、多くのトランジスタを小さなチップに集積したものです。

半導体は、パソコンやスマートフォン、テレビ、自動車など、私たちの身の回りの多くの電子機器に使われており、現代社会に欠かせない存在となっています。

子供でもわかるように、簡単な例で説明しましょう。

• 電気をよく通す金属は、水道の蛇口を全開にした状態のようなものです。
• 電気をほとんど通さない絶縁体は、蛇口を閉めた状態のようなものです。
• 半導体は、蛇口の開け具合を調整できる状態のようなものです。

蛇口の開け具合を調整することで、水の流れを制御することができます。同様に、半導体の導電性を調整することで、電気の流れを制御することができます。

半導体は、私たちの生活を便利で豊かにしてくれる、とても重要な物質なのです。

半導体に何ができる？

半導体は、電気を通したり通さなかったりすることができる性質を持つ材料です。この性質を利用して、さまざまな機能を実現することができます。

具体的には、以下のようなものが挙げられます。

• 電気信号の処理

半導体は、電気信号をオン・オフしたり、増幅したり、変換したりすることができます。そのため、コンピュータやスマートフォンなどの電子機器の基本的な機能を実現することができます。

• 電気エネルギーの生成

半導体は、電気エネルギーを太陽光や熱などのエネルギーに変換することができます。そのため、太陽電池や発電機などのエネルギー変換装置に使用することができます。

• 光の制御

半導体は、光の強さや波長を制御することができます。そのため、LEDやレーザーなどの光源に使用することができます。

• 磁気記録

半導体は、磁気を記録することができます。そのため、磁気テープや磁気ディスクなどの記録媒体に使用することができます。

半導体は、これらの機能を組み合わせることで、さまざまな製品に使用されています。

以下に、具体的な例を挙げます。

• コンピュータやスマートフォンなどの電子機器

コンピュータやスマートフォンなどの電子機器は、半導体によって構成されています。半導体は、電気信号の処理や、記憶、通信などの機能を実現しています。

• 家電製品

テレビや洗濯機、冷蔵庫などの家電製品にも、半導体が多く使用されています。半導体は、電気制御や、音声や映像の処理などの機能を実現しています。

• 自動車

自動車にも、半導体が多く使用されています。半導体は、エンジン制御や、安全装置、情報システムなどの機能を実現しています。

• 医療機器

医療機器にも、半導体が多く使用されています。半導体は、診断や治療、検査などの機能を実現しています。

このように、半導体は、私たちの生活のさまざまな場面で使用されています。

半導体の作り方

半導体の作り方は、大きく分けて「前工程」と「後工程」の2つに分けられます。

前工程

前工程では、シリコンインゴットからウェーハを切り出し、その表面にトランジスタや集積回路などの回路パターンを形成します。

具体的な工程は、以下のとおりです。

1. シリコンインゴットの製造

シリコンインゴットは、シリコンを高温で溶かして棒状に固めたものです。半導体製造に使用するシリコンインゴットは、純度が99.9999%以上と非常に高く、単結晶である必要があります。

2. ウェーハの製造

シリコンインゴットを、ワイヤーソーと呼ばれる回転する糸状のダイヤモンド工具で薄くスライスすることで、ウェーハを作ります。ウェーハの厚さは、一般的に50～700μm程度です。

3. ウェーハの洗浄

ウェーハ表面に付着したゴミや汚れを取り除くために、超音波洗浄や化学洗浄を行います。ウェーハ表面の清浄度は、半導体の性能に大きく影響するため、非常に厳密な基準で管理されています。

4. フォトレジストの塗布

ウェーハ表面に、感光性樹脂であるフォトレジストを塗布します。フォトレジストは、光を当てると硬化する性質があります。

5. 露光

ウェーハに、回路パターンが描かれたフォトマスクを重ね、紫外線を照射します。紫外線は、フォトレジストにのみ透過し、透過した部分は硬化します。

6. 現像

硬化したフォトレジストを、溶剤で溶かすことで、回路パターンを残します。

7. エッチング

ウェーハ表面のシリコンを、回路パターンに沿って溶かして除去します。この工程によって、回路が形成されます。

8. イオン注入

特定の元素の原子を、ウェーハに注入します。この工程によって、半導体の性質を変化させることができます。

9. 回路パターンの検査

回路パターンに欠けや不良がないか、検査します。

後工程

後工程では、ウェーハからチップに切り分け、リードフレームに接続し、パッケージングします。

具体的な工程は、以下のとおりです。

1. ダイシング

ウェーハを、ダイヤモンドブレードで切断して、チップに切り分けます。

2. ワイヤーボンディング

チップとリードフレームを、金線で接続します。リードフレームは、チップから外部へ電気信号を送るための金属枠です。

3. モールディング

チップを、樹脂で封止します。これによって、チップは外部からの衝撃や湿気から保護されます。

4. 最終検査

チップの電気特性や外観を検査して、不良品を取り除きます。

半導体の製造工程は、非常に複雑で高度な技術を要します。また、半導体の性能は、製造工程の微細化によって大きく向上しています。近年では、ナノメートル（nm）という単位で製造される半導体が主流となりつつあります。

まとめ

半導体は、理解するのがとても難しいものです。

さらに、最先端のものとなると、文献などにも載っていません。

それゆえ、企業の機密情報に不正アクセスされたりすることがあります。

また、半導体回路の中身がどうなっているかを調査するのは、至難の業です。

だから、自国生産に切り替えているという側面もあります。

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