半導体(半導体集積回路)

 

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半導体とは?

 

 半導体は、正式名称を半導体集積回路といい、電気的性質を持つ物質です。基本的にほとんどの物質には電気を通す「導体」と、電気を通さない「絶縁体」があり、半導体はその中間的性質を持つ物質です。
また、半導体は多種多様で、素子単体(ディスクリート半導体)などのトランジスタ・ダイオードや、トランジスタなどで構成された回路を集積したIC(集積回路)を総称した製品など数多くあります。
 現代において生活に欠かせない半導体の性質や仕組みについて詳しく解説致します。

 

半導体の性質と特徴

 

電気を通しやすい金・銀・銅・アルミ・ニッケル・鉄などの導体物質は電気抵抗率が低いという特徴があります。

電気を通さないゴム・油・樹脂・プラスチック・セラミックなど絶縁体物質は電気抵抗率が高く、電気が通りにくい特徴があります。

 半導体の大きな特徴は、電気を通す性質と電気を通さない性質の二つの役割を持つ物質であることです。

具体的な特徴は、温度により抵抗率が変化する点であり、低温時にはほとんど電気を通さず、高温に近づくにつれて電気が通しやすくなります。

 電子や量子の世界でも0か1か、オンかオフか、最新技術にふさわしい性質をもっています。

 

 一般的に身近になりつつある半導体


 パソコンや携帯電話、スマートフォン、テレビ、洗濯機、冷蔵庫、エアコンなど、ほとんどの製品には半導体が使用されており、インターネットや通信インフラなど大規模なところでも多くの半導体が活用されています。

半導体の技術の発展は今後さらに重要とされており、エネルギーの効率化や便利で快適な暮らしの基礎を支えています。また、あらゆるモノがインターネットにつながるIoT(Internet of Things)やAI(人工知能)の普及により、ビックデータの解析などにも半導体は活躍しています。

 

シリコンとはケイ素のこと

 

半導体で主に使用されている資源素材であるシリコン(SI)は、地球上で酸素の次に多い元素です。

ケイ素のほとんどは採掘することにより発生しますが、樹木など植物にも含まれており、「どこにでもある元素」ともよばれています。

ただし一般的に採掘が可能なシリコンは、酸素やアルミなどと結びついているため、シリコン元素を取り出すためには精錬工程が必要になります。

 

 超高純度の単結晶構造-【イレブン・ナイン】


 ICなどの集積回路などの半導体に使用されるシリコン原料は、99.999999999%(イレブン・ナイン)という超高純度の単結晶構造が要求されます。

また、シリコンの精錬にはアルミニウムと同様、酸化物から還元する際に大量の電力を必要とするため、電力の安い中国やヨーロッパなどから金属シリコンを輸入するのが一般的です。

 

半導体向けシリコン:純度99.999999999%「イレブン・ナイン」
太陽光向けシリコン:純度99.999%「ファイブ・ナイン」

 

半導体の製造工程

 

半導体チップは、トランジスタや半導体ウエハー上に形成した電気回路を配置した物です。
集積回路(LSI)とも呼ばれ、半導体を作る上で配線回路を設計する必要があります。その後設計した電子回路を半導体ウェハ―表面に取り付ける前工程を行い、最後にチップに切り出して組立を行う後工程を経て完成となります。

 

 設計工程


電子回路の図面・レイアウト設計を行い、効率的な回路パターンをシュミレーションを行い、必要に応じてサンプル画像などを作成します。

 前工程


シリコンウェーハ表面に設計したトランジスタなど電子回路を設置していきます。

1つのウェーハ上には半導体チップが数百以上の製造がされています。

 後工程


半導体製造における「後工程」は前工程で設置されたウェーハから半導体をカット(ダイジング・切断加工)し、回路チップをセラミックや樹脂などの絶縁体で封入します。

最終的に検査まで行い、使用可能な製品基準に該当した物だけが半導体製品として完成します。

 

半導体の歴史

 

半導体の基礎となる発明は、1821年にトーマス・ゼーベックは半導体の特性の一つである熱電変換効果を発見したことから始まり、1938年にベル研究所のウィリアム・ショックレーとA. Holdenは半導体増幅器の開発に着手した。

1960年ごろ、トランジスタの普及に合わせて小型電卓の生産が大幅に増産された(いわゆる電卓戦争)。

現在ではLSI(大規模集積回路)へ進化し、マルチLSI(システムLSI)など、多数の機能を1つのチップ上に集約した多機能LSIが主流となっており、応用・多機能となって半導体は現在の生活の重要な役割を果たしています。

 

 半導体メモリとは?


半導体メモリは、半導体の回路を電気的に制御することでデータを記録保持する役割をもつ半導体回路装置のことをいいます。

  揮発性メモリ(Volatile Memory)   :電源を切る時に記録内容が失われるものが揮発性メモリ
不揮発性メモリ(Non-Volatile Memory):電源を切る時に記録内容が保持されるものが不揮発性メモリ

 

半導体スクラップのリサイクル

 

神田重量金属株式会社では、半導体スクラップ・半導体チップ・半導体基板の買取・リサイクルをしています。

一般の方による少量や発生工場や業者など大量の場合でも全て対応が可能ですので、お気軽にお問い合わせください。

 

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  この記事について(著者情報)

 金属リサイクルの専門家として金属スクラップを取り扱う神田氏と山崎氏が解説しています。

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