半導体と集積回路の違いとは？基礎から学ぶ半導体の物理と電気的性質

はじめに

半導体と集積回路は、コンピュータや電子機器の中で重要な役割を果たしていますが、その概念や特性にはいくつかの違いがあります。
ここでは、半導体と集積回路の基本的な概念と、それらの物理的・電気的性質について学んでいきましょう。

さらに、それぞれの技術がどのように発展し、現代の電子機器産業に革命をもたらしてきたかについても掘り下げていきます。
これを理解することで、電子技術の基盤を深く知ることができるでしょう。

半導体とは

基本的な概念

半導体とは、電流を通す能力が他の物質と比較して中間の性質を持つ物質のことを指します。
半導体は、シリコンやガリウムアーセニドなどの特定の元素から作られた結晶であり、非金属と金属の中間の伝導度を持ちます。
一般的な半導体の特徴としては、温度による伝導度の変動や電圧による電流の制御が可能であることが挙げられます。

この特性は、半導体がトランジスタやダイオードといった電子素子の基本材料として選ばれる理由です。
たとえば、温度や光に反応する性質を利用したセンサーの開発では、半導体のこうした特性が活用されています。

物理的性質

半導体の物理的性質については、主に伝導帯と価電子帯という2つの帯（エネルギーバンド）が関係しています。
半導体中の原子は、結晶構造によって規則的に配置されており、その外側の電子はバンド中に存在します。
伝導帯は、外側の電子がエネルギーを吸収して高いエネルギーレベルにジャンプした状態を指し、価電子帯は、外側の電子が最も低いエネルギーレベルにある帯を指します。

半導体が導電性を持つためには、伝導帯と価電子帯のエネルギーバンド間のエネルギーギャップが小さいことが必要です。
このエネルギーギャップを克服するために、外部からエネルギーを供給することで、伝導帯に電子が移動し、電流が流れることが可能になります。

たとえば、シリコンのような半導体では、このエネルギーギャップが約1.1eV（電子ボルト）であるため、外部からのエネルギー供給として光や熱が利用されることがあります。
こうした性質は、太陽電池やLEDといった応用製品において特に重要です。

不純物の役割

また、半導体中に不純物を添加することで、伝導度を調節することも可能です。
これを「ドーピング」と呼び、不純物としてリンやホウ素などを添加することで、N型半導体やP型半導体を作り出します。

N型半導体では、電子が主なキャリアとなり、P型半導体では正孔（ホール）が主なキャリアとなります。
このドーピング技術は、半導体素子の性能向上と多様な機能実現の鍵を握っています。

集積回路とは

基本的な概念

集積回路は、半導体上に電子回路を集積させたものであり、コンピュータや携帯電話などの電子機器に不可欠な要素です。
集積回路は、トランジスタやダイオード、抵抗器などの電子素子を半導体上にパターン化し、複数の素子を一つのチップ上に集めることで、小型化や高集積化を実現しています。

これにより、一つの集積回路チップで数百万回の演算を瞬時に行うことが可能となり、現代のコンピュータやスマートフォンの高性能化を支えています。

物理的・電気的性質

集積回路は、半導体の物理的性質を利用して構築されます。
絶縁体やシリコン酸化膜を使って素子間を絶縁し、トランジスタやダイオードなどを微細なパターン化で配置することで、複雑な回路を作り出します。
また、集積回路は、数百から数十億の素子を一つのチップ上に集めることができるため、高性能な電子機器を小型で低コストに実現することが可能です。

最新のプロセス技術では、5ナノメートル以下の微細化が進んでおり、一つのチップに数百億のトランジスタが搭載されています。
この進化により、AIや自動運転といった高度な技術が現実のものとなりました。