半導体は何ができるモノ？特徴や半導体素子の役割を解説

2021.02.26(Fri)

半導体

半導体は何ができるモノ？特徴や半導体素子の役割を解説

半導体を利用した素子は多様な製品に組み込まれており、非常に大きな役割を果たしています。しかしながら、私たちが日常生活において半導体の存在を意識することはあまりありません。そのため半導体が具体的にどのような役割を果たしているのか、どのような特性を持つのか理解していない方がほとんどかと思います。

そこで本記事では、半導体ができること、どのように役立っているのかについて解説していきます。 半導体って何？と思われている方は下記のページにて「半導体とは」を解説しているのでご覧ください。

別ページ：⇨半導体とは？どういったものかを簡単に解説

半導体の特徴

半導体素子は、後述するようにエネルギーを変換する素子としても活用できますし、電気の流れを制御する素子としても活用されます。回路内において単に抵抗として機能したり、電荷を蓄えたりする受動素子とは異なり、増幅や整流といった比較的複雑な作用を及ぼす能動素子として機能します。こういった動作を可能にしているのは半導体の特殊な電気的特性にあります。

これを説明するため、先に絶縁体や導体に触れておきましょう。それぞれごく簡単に説明すると、電気の流れない物体が絶縁体、電気がよく流れる物体が導体であるといえます。絶縁体はゴムやガラス、セラミックなどが代表例で、電子の移動が難しいという特徴を持つため、電気が流れないものと捉えられています。他方、導体は銀や銅、鉄、アルミニウムといった金属が代表例です。

比較的容易に電子を移動させられるため、電気が流れやすいのです。そして半導体ですが、こちらはその名の通り半分導体のような特性を持ち、いくらかのエネルギーを与えてやることで電子の移動が起こり、電気が流れる物質をいいます。それほど大きなエネルギーを要するわけではなく、可視光や近赤外線などの小さなエネルギーを与えてやるだけで電子が移動できる状態に変化します。ただし、素材特有の一定条件を満たさなければ電気は流れず、絶縁体のようにふるまうことになります。

半導体素子の主な用途

上述の通り、半導体は少し変わった特徴を持つものです。そのため導体や絶縁体のようにシンプルな使い方はできませんが、逆にいうと複雑な使い方ができるため、複雑なふるまいをする機器を作ることに役立ちます。

次項以下で、どのような用途に半導体素子が用いられているのか見ていきましょう。

◆電気のエネルギーを光に変換する

半導体は電気のエネルギーを光へと変換することができます。LEDや有機EL、レーザーなどで利用されており、もっともイメージしやすい用途かと思います。ここでは半導体の基本的な知識のみを解説しているため詳しい仕組みについては省略しますが、これは電子が持っていたエネルギーを光として放出させることで成立しているのです。そのためどのような光が放出されるのかについては、電子が持っていたエネルギーの大きさなどによります。

◆光のエネルギーを電気に変換する

前項とは真逆の動作も可能です。光のエネルギーを受け取り、電気を流すのです。これに関しては太陽電池をイメージすると良いでしょう。

電気の流れを制御できる

ここまでの用途とは少し毛色の異なるものですが、回路に組み込み、電気の流れを制御する役割を果たすこともできます。

大別すると「オン・オフの切り替え」、「一方向にのみ電気を流す」という制御を行います。さらに高速でオンとオフを切り替えることでアナログの連続値を0・1という表現に変えることができるため、デジタル化を行う素子としても機能します。単体では複雑な処理を行うことはできませんが、上手く組み合わせることで高度な情報処理が可能となり、CPUなどに活用することもできるようになるのです。

後者の、電気の流れ方を一方通行にする素子として利用する場合にはダイオードと呼ばれます。不純物を含ませるなど一定の処置を施した半導体を組み合わせることで、このような特性を持った素子を作ることができます。

ただし、半導体といわれている素材であれば常に整流を行うダイオードとして利用できるわけではありません。同じ半導体でも厳密には電気的特性が異なるため、整流に利用できるものもあれば、エネルギーを加えると光を放出するものもあります。半導体という大きな枠組みのみで判断するのではなく、素材に着目して具体的用途を決定しなければなりません。