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理科っぽい視点で、身の回りのことを見てみませんか。 そんない理科の時間B、第467回。
そんない理科の時間B、お送りいたしますのは、よしやすと、 まさとです。よろしくお願いします。よろしくお願いします。
今日は、まさとさんとお二人で、かおりさんは、時間が合わず欠席ということになっております。 はい、残念ながら。
なぜ、まさとさんが優先かというと、今日はですね、 まさとさんが半導体のことについて、いろいろ喋ってくれると。
はい、いやー、ということです。 期待大ですね。
何とか頑張って喋っていきますんで、ぜひ聞いてください。 まあね、半導体とか言っても、どんなとこでどう使われてるかみたいな話もあるんですけど、
昨日ね、トップガン、マーベリックっていうのを見てきたんですよ。 はい、映画ですね。
で、まさとさんは知ってるか知らないか知りませんけど、 30何年前にトップガンっていうね、映画があったんで。 いやー、昔の話はわからないですね。
そうそうそう、で。 オラク生まれてない? 今回も戦闘機乗りの話なんですよ。
で、ジェット戦闘機のコックピットにカメラを突っ込んで撮ってるシーンがすごい多いのね。 おー、難しそう。
で、映画といえば、まだまだね、フィルムで撮ってる映画もあるんですよ。 なんですけど、
フィルムのカメラをコックピットに入れて、それも複数台突っ込まなきゃいけないらしくて。 うわー。
要はパイロットの顔を撮るやつと、あとは後ろから前を撮りたい風景。 角度変えて、全然見れるようにしてって。
とかっていうのがあって、フィルムカメラってレンズとフィルムが必要じゃないですか。 うんうん。
なんですけど、今やレンズと半導体撮像素子さえ何とかそこに入れば、残りのものは何とか他のとこに突っ込めるっていう技術があって。
うーん。 そうなんですよ。 遠隔的にその部分だけを別の場所に持っていくってことですね。
そう。だから、レンズと絵が撮れるやつからケーブルがビロロロって出てて、録画する機械とバッテリーがある他の場所に、要は足元とかね。
あとは下手すりゃ格納庫の中とか、武器の代わりに積むとか。ケーブルさえ伸びればね。っていうのができるようになっていて。
はい。 なんていうの、半導体って一言で言うけど、こんなところにも役に立ってるんだなーなんて思って。
そうですね。もう幅広い、いろんなところで活躍してるなーっていうのも思いますね。
うん。で、逆にね、世の中デジタルカメラにどんどんなってるけど、映画はまだフィルムで撮ってる作品も多いらしく。
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うん。 なんだろうな、こう、フィルムの味みたいなものを重視してたりとか。
はい、あるようですね。 あとは、やっぱね、昔から慣れてる機械で撮りたいっていう人たちもいるんじゃないかと思っていて。
うん。やっぱその時代の職人の人は、そっちでこそ、なんていうか、自分の技が光るような人たちもまだ多くいるんじゃないかなーって思うんで。
そしたらどうしても残っていくかなーっていうのは思いますね。 そう。だって、映画って、ピントだけ合わせてる人がいるんでしょ?
おおー。 カメラマンとピント合わせる人ってのは違う担当者なんだよね。
おおー、それは知らなかった。 だから、いくつか記事を読むと、今回のトップガンマーベリックっていうのは、
飛行機飛んでる間にスタートストップしなきゃいけないから、 パイロットになっているその役者さんが動作確認をしてというか、
で、スタートって言われたら、自分で回すっていうのとかもやったらしく、大変だったみたい。
おおー、大変そうだなー。なんか、役者だから演技だけしてればいいだけじゃ作り上げられない映画ですね。
あ、それもそうだし、あとは、なんだっけ、トム・クルーズの自分が持ってる飛行機で他の役者さんたちを飛行機に慣れさせる訓練をして、
その後、アメリカ海軍の協力を得てもう少し早い飛行機で、もう少し肩慣らしをして、最終的にはF-18に乗って撮影するみたいなものをやったとかっていうね。
トム・クルーズだからこそできる準備ですし、アメリカ空軍に協力をお願いしてオッケーしてもらえるっていうのもあるでしょうね。
えっとね、海軍の航空部隊ね。
あー、海軍のほうでしたか?
海軍の航空部隊、ネイビーのほうですね。
だから本番は、なんだっけ、空母からの離発着。
うーん、素晴らしい。絵としてかっこいい。
ぜひ興味があれば、まさとさんも旧トップガン、そして新トップガン見てみてください。
確かに、まず予習として旧のほうから。
旧トップガンはね、安DVDとかもあるんじゃないかと思うし、あとはあちこちの配信とかでもあるんじゃないかな。
うん、とりあえずAmazonプライムあたりから探してみようかなと。
あると思います。
はい、楽しみ。
はい、で、カメラが乗ってんだなって思いながら見ると、ちょっと今日雨かもしれないんで、途中途中でちらほらと乗り出して。
あと、映画館はね、えっとね、なんだっけな、スクリーンXって言うんだっけな、3面あるやつの上映とかもやってるらしくて。
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おー、広い。
普通のやつと、アイマックスっていうスクリーンがでかいやつと、その3面出てる、左右に絵が広がっているスクリーンXっていうのの3パターン上映があるらしいんで。
まあ私は普通のやつしか見てないんですけど、ちょっとね、アイマックスで見てもいいかななんて思いました。
うんうんうん、はい。
ということで、本編の方ではですね、
はい。
マサトさんが半導体についてお話をしてくれるということで、
はい。
どうですか意気込みは。
もうバッバッバッバッバッバッバッチリです。
バッチリですね。
バッバッバッバッバッチリです。
はい。ということで本編の方に行ってみたいと思います。
はい、よろしくお願いいたします。
ということで今日は、
はい。
マサトさんに半導体のお話をしていただくんですが、
はい。
そのきっかけとなったメールをまずは紹介させてください。
お願いします。
4月の6日にシークレットファニーボーイさんからメールをいただきました。
はい。
最近、半導体の知性学という本を読みました。
これからの世界での半導体の戦略物質としての重要性やサプライチェーンをめぐる世界情勢の動きがよくわかり、とても面白かったです。
ただ、二重的な説明がほとんどなく、そもそも半導体ってなんだっけという疑問が残りました。
そこで質問です。
半導体とはそもそも何でしょうか?
半分だけ電気を通す?
それがなぜ電子部品として重要になるのでしょうか?
どのような仕組みになっているのでしょうか?
ということで質問をいただきました。
はい、ありがとうございます。
ありがとうございます。
で、マサトさんが半導体のことだったらわかるよとかっていう話をその時しまして、
そんな軽かったかな?はい。
ぜひ私が解説したいという手が挙がったので、じゃあやってみましょうというので、
今日半導体についてお話をしていただくということになっています。
はい、よろしくお願いします。
ということで、説明をお願いします。
はい、ということで半導体の話を任せていただいたので、しっかりやっていきたいんですけども、
今日は話の大雑把な流れとしては、
もともとの質問が半導体って何?っていうところがメインだとは思いますので、
なのでその半導体って何?っていう疑問に対して最初はちょっと薄っぺらい回答から話し始めようかなと思うんですけど、
一通り話し終わって、半導体こういうものかみたいなことが回答になるんじゃないかなと思っています。
わかりました。
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ただやっぱり半導体って一言で説明して簡単に終わるようなものではないので、
最初に大まかに2つのパターンに、使い方っていう目線で2つのパターンに分けて紹介を始めてみようかなと思っています。
全社が現在最もメジャーな使い方にあたるような話と、
もう一方がまた別のメジャーじゃない方のこういう使い方もあるよみたいなことをまずは紹介させていただこうと思っていまして、
最後に改めて物理的にどう動いているのかみたいな話をできるだけ面白く話ができたらいいなと思っています。
わかりました。皆さん期待してください。
ぜひぜひ楽しく皆さんで楽しんでいきましょう。
じゃあ早速話を始めていきますが、一応今回の目標というか一番の目的としては半導体って何?っていう疑問だと思うんですけれども、
正直その半導体ってすごくニュースでは一口に持ってこられがちな単語ではあるんですけれども、
なんでそんなややこしいの?みたいな話も今日わかったらいいかなとは思っています。
その半導体でそもそも何?っていう疑問に対するよくある回答って言ったら、
吉安さんどんなよくある回答がありますか?
半導体?
半導体。
相手によって随分違うんですけど、よくある回答は金属の中で電気を通す性質がそこそこあるっていう物質。
工業的にはゲルマニウムやシリコンが半導体素子として材料として使われます。
ありがとうございます。
カオレさんがいたらカオレさんに聞いてみようかなと思って用意した質問ではあったんですけど、
多分なんていうかよくある回答というか、
一口に回答しようとした時って半導体っていう名前から引っ張ってくる感じで、
半分は電気を通す導体で半分は電気を通さない絶縁体。
導体でもあり絶縁体でもあるみたいな感じで回答がされちゃうことってあるかなと思うんですね。
実際これって正解のようで不正解のようでっていう回答だと思っていて、
実際半導体ってその半導体自体の作り方だったり周りの環境によって
その導体だったり絶縁体だったりどっちかの状態に寄せて作ることができるよっていうのが
ポイントというかそういうふうなものかなと思ってます。
この導体と絶縁体を切り替えて使うパターンっていう使い方と、
元々半導体の持っているその導体なのか絶縁体なのか微妙な複雑さみたいなものを
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上手く使ってあげている使い方のパターンと大きく2つ分けられるかなと思って思うので、
まず今回はそういう話し方をしたいと思います。
全社がいわゆるコンピューターとかスマホに使われるような
いわゆる半導体と呼ばれるメジャーな使い方で、
後者がLEDとかセンサーとかそういうふうに言われるようなものになってくるかと思います。
まずは全社のコンピューターやスマホに使われるようなやつの話。
コンピューターって複雑な動作をしているように見えて、
実は基本的で単純な動作をとにかく大量に積み重ねることで
あたかも複雑な動作を実現しているようにも見せかけるし、
実際そういう動作をしているっていうものだったりすると思うんですね。
半導体は基本的に導体と絶縁体を切り替えるスイッチの
オンオフみたいな働きしかしていないっていうものなんですね。
もちろんスイッチがオンしていると電気を通していて、
だからすなわち導体って呼ばれる状態になっている時があって、
一方でスイッチがオフすると電気を通さない、
絶縁体って呼ばれるような状態になっている時と、
これを使い分けているっていうふうな感じになるかと思います。
多くの人にイメージを持ってもらえるように、
共通のイメージを皆さんの頭の中に作ってもらいたいなと思うんですけども、
豆電球とか、この後説明しようかなと思っているLEDみたいなもので、
電気が通れば光るようなもの、豆電球があって、
これを実際電池で繋いで、導線で繋いだらピカーと光っているような、
そういうふうなイメージから始めたいなと思います。
小学校の時にやりましたよね。豆電球とスイッチと電池のやつね。
実験で、実際繋いでパーって光るとちょっと嬉しいですよね。
とか、あと何々つなぎにすると明るいとか暗いとかやった気がします。
直列つなぎ、並列つなぎです。
あったあった。
懐かしいやつ。
こういうふうなつなぎ方をした状態の豆電球の、
導線の途中にスイッチを挟んでおくと、もちろんスイッチをオンさせた時だけは光って、
オフしている時は光らないというふうな感じの状態にすることができると思います。
これって、スイッチのオン・オフで条件分岐ができたよってことだと思います。
というと?
スイッチというオンとオフだけで、
豆電球が光ってるか光ってないかっていう全然違う状態を、
条件だけでその結果を変えているようなことができているので、
条件分岐としてスイッチって、まずは簡単な話から始めてますけど、
できるようになっているなというふうなのが言えるかなと思います。
さらにさっきのイメージを膨らませて、
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電球2つに増やして、それぞれをレンジと導線とスイッチで繋いであげて、
もちろん片方のスイッチをオンしている時は片方だけが光るし、
両方オンしていれば両方光る、両方オフであれば両方光らないみたいな感じで。
電球1個にスイッチ1個を繋げて、
もう片方にも電球とスイッチを組みにすると、それぞれがコントロールできると。
そうですね。それぞれがコントロールできて、
要は複雑な光らせ方、光らせ方のパターンを増やせるなと思います。
もちろん2つに限らず電球とスイッチをもっとたくさん増やしていけば、
より複雑なパターン、光らせ方のパターンが増えてくるということになってきます。
こういう条件分岐ができるようになると、
今度はそれを使って演算をあったかもすることが可能になります。
この演算というと、足し算とか引き算とか掛け算みたいなものから、
論理演算と呼ばれるような、言ってしまえば複雑な条件分岐みたいなものが演算というものができるようになってきます。
細かいことを無視して大まかに説明しますと、
とりあえずさっきの豆電球みたいなものを10個並べて、
それぞれに0から9までの数字を、番号を割り振っておいて、
そのうちのどれか1個だけを光らせてあげたら、
1桁の数字を表現することがとりあえずできるようになるかと思います。
1個だけスイッチ入れるのね。
そうですね。0から9までで。
その豆電球のセットっていうのが2つあれば、
今度は1桁の数字が2つ表現することができるよってことができると思います。
ここでさらにアルバイトを雇ってきて、
アルバイトの人にもまた新たに10個セットの豆電球を持たせておいて、
仮にアルバイトの人に元から元々あった豆電球のセットのうち、
片方が3が光ってて、もう片方が4が光ってたら、
あなたが持っている豆電球の7番だけを光らせてっていう指示を出しておけば、
もちろんそれって元々あった豆電球の3番が光って4番が光って、
アルバイトの人の持っている豆電球の7番が光れば、
外から見たらあたかも足し算を計算したように見せかけることができると思うんですね。
わかりました。そこまではいいです。
でも実際ってアルバイトの人は足し算を計算してるわけじゃなくて、
あくまで光ったものに対して今持っているもののスイッチを押しただけなので、
実際足し算をどこかで計算してるっていうわけではなくて、
あくまで指示通りに動いてるっていうことをやってるだけだと思います。
今ではその3と4の話でしたけども、その他の元々あった豆電球の光り方に対して、
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全部足し算がちゃんと計算できるようなマニュアルを用意してあげて、
そのアルバイトの人に渡しておけば、
もし足し算のマニュアルがそれが渡っていたら、
足し算っていうものが完璧にこなせるようにあたかも見えるものが作れると思います。
一桁の足し算の表を渡して、片方が何番、片方が何番だったら何番を押すというか何番をオンにするっていうふうに表を渡しとくのね。
そうですね。表マニュアルとして今は紹介しちゃいましたけども、
そういうのがさえあれば、実際にはアルバイトの人が足し算の計算を逐一やらずとも、
まずあたかもそれができているようにも見えるし、実際に足し算として正しい結果が得られるってことが実現できます。
それの今では足し算のマニュアルっていう話でしたけれども、
それに対して掛け算のマニュアルだったり引き算のマニュアルだったり、
いろんなマニュアルを用意してアルバイトの人に渡すってことをしてあげれば、
いろんな種類の単純な演算っていうのが実現できるようになるってことが言えるかと思います。
実際これもこういう場合はこうしなさいっていう条件分岐の積み重ねだけでいろんな種類の演算が実現できるよっていうことを意味してることだと思うんですね。
半導体とあまり近づいてない気がするんですけど、そのうちくっつくんですよね。
そうですね。スイッチっていうものが現在のコンピューターの複雑さを噛み砕いていくと最終的にはスイッチに行き着くよっていう話をするために、
今どっちかって言ったら広げちゃってる感じですね。
今この条件分岐の判断っていうのをアルバイトの人にやらせていたと思うんですけど、これを電気の力だけでできるようになったら、
今度は人間もいらなくなって、ただ単に電気の力だけで複雑な演算ができるようになってくると思います。
そのさらに単純な演算を大量に組み合わせていくと、最終的には複雑な動作を処理することができるようになって、コンピューターだったりスマホっていうのが実現できるよという話があるかと思います。
一昔前の人工知能ってまさにこの話がまずあったかなと思うんですけど、単純な条件分岐が大量に用意されてるだけのものが一昔前の人工知能ってそういうもんだったかなって思うんですね。
実際現在の人工知能も究極的に分解していけば、やっぱり条件分岐だけで出来上がってると言えなくもないんですけども、それは一旦置いておいて。
一昔前の人工知能って言ったら、自分の場合だとRPGのドラゴンクエストとかで仲間の行動みたいなものがイメージするんですけど、
敵が出てきたら基本攻撃してくれるけど、仲間のヒットポイントがある値以下になったら回復の呪文使ってくれるよみたいな感じで、結局あれも条件分岐で出来上がってるなっていうふうに思います。
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なので改めてそういった条件分岐が大量にできるようにしてるのがコンピューター。そういったものを有り難がってる我々っていう世界があると思います。
ここまでの話ってひとまずまとめてみますと、実は全てスイッチのオン・オフから始まって、それができれば条件分岐ができるようになって、それができればいろんな演算ができるようになって、そういった演算を大量に組み合わせてあげると複雑な動作を処理することができるようになるというふうなことになっています。
なのでコンピューターって実は単純なスイッチのオン・オフってことしかしていなくて、スイッチのオン・オフしかしていなくて、それが半導体でできている。だからその半導体が重要っていう話にようやく戻ってくるわけです。
ずいぶんちょっと遠回りしちゃったかなって感じはありますけれども。ただこの単純作業、スイッチのオン・オフっていうのをめちゃくちゃ高速にやっていて、それこそパソコンの頭脳って呼ばれるようなCPUっていう素子ではその大まかにスイッチのオン・オフが1秒間に20億回とかすごい大量に行っているってことがあったりするんですよね。
加えてその大きさ、サイズ感っていうのもめちゃくちゃ小さくて、1個わかりやすいかなと思って持ってきた例としては、スマホとかに入っているカメラの機能を司っているイメージセンサーっていう素子がこれまた半導体でできているものがあるんですけれども、皆さんもスマホを手に取って見ていただいたらレンズがあるところ、そこの部分がイメージセンサーが入っている場所になるんですけど、
このレンズの奥側にあるイメージセンサーっていう半導体は指先サイズとかそれよりももしかしたら小さいような大きさになっているものなんですけど、ただそんな大きさにもかかわらず、この中に何百万画素っていうものが詰め込まれている素子になるんですね。
この画素って、絵にしたときには1個1個の絵を構成する一番小さい点々になるんですけども、この画素自体ってそれぞれ独立した機能を持っているんで、さっき言っていたようなスイッチがその中に画素1個の中に4つくらいは普通に入ってくるものだったりしていて、なのでさっきの指先の中に何百万画素ってあるとすると、
この指先サイズの大きさの中に何百万何千万個のスイッチが作り込まれているっていう計算になってきて、要はめちゃくちゃちっちゃいものが書き込まれたものが半導体として出来上がっているよっていう風になってますね。
この大きさ感、サイズ感っていうのも半導体の世界ではまだイメージセンサーで大きい方の部類に入るサイズ感だったりするっていうのがまた恐ろしいなという話もあったりします。
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どのくらいなんですか?
今最先端の話で、いわゆる書き込む大きさのサイズ感で一番小さい、ゲートサイズって呼ばれるやつでいうと2ナノメートルっていうような話が研究で進んでいるようなもので。
そうですね、ナノだから1メーターの10億分の1が1ナノとかそういうぐらいの大きさ感で、機能が書けるようになってたりもするわけですね。
1ミリの100万分の1?
1ミリの100万分の1ですね、大体。
が1ナノメーター。
1ナノメーター、でそれの2ナノ3ナノっていうのが最小のサイズ感として今研究が進んでいるようなレベルであったりする。
その大きさにスイッチが入っているっていうイメージなの?
それを使ってスイッチを書き込んでいくってことになるので、実際スイッチはそれより大きいサイズ感になってくる感じですね。
そうですか。
とはいえとにかくめちゃくちゃ小さいものが出来上がっているっていう感じで、実際こういった半導体の中ではいかにこういったものを小さく作るかっていうのが重要になってきていて。
この小さく作ることでその素子を高速に早く動かすことが簡単にできるようになったり、消費電力も少なくて済んでバッテリーを長持ちさせることができるようになったり。
また量産たくさん作るときには1つあたりの値段が安くなるよみたいな法則が少し前まであって。
多くのメーカーが小さいスイッチを大量に作る技術でしのぎを削っていたっていうふうな時代が今でもそうなんですけどもそういうふうな話があるわけですね。
小さいと1個あたり安くなるのは何となく分かるんですけど、小さいと早いっていうのは何でなんですか?
イメージだけで言えば結局電子をいろんなところに動かしていく。電流をいろんなところに動かしていくっていうのが速さにもつながるんで。
小さいとそれを動かす距離が短くなるんで早くなるっていう話は一応1個説明にはなるかなと思います。
電気が伝わる速さが問題になるほど早くやってるってことね。
そうですね。実際電気はすごいめちゃくちゃ速いスピードで動くはずなのに、それすらも問題になるぐらいのスピード感でしのぎ?半導体の中が動いているっていう状態ですよね。
それ考えるだけでちょっと恐ろしいなっていう気はしますけどね。
こういうふうな小さく作る技術っていうので、その技術の今頂点にいるのは多分TSMCっていうのがニュースでよく出てきたりするかなと思うんですけども、会社名ですね。
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半導体を作ってる会社。
これ台湾の会社なんですけれども、圧倒的な技術力とシェアを持っているために、多分世界各国がこぞってTSMCの工場を自分の国に作ってくれっていう取り合いを政治的に繰り広げられてるみたいな現状があるっていうのが一個ニュースでポイントになってるものかなと思ったんでちょっと紹介してみました。
一旦ここまでが、半導体を動体と絶縁体を切り替えるスイッチとして使うような、いわゆるコンピューターに使われるっていう話をまずはさらっとしてみました。
小さい小さいスイッチが作れる。
そうですね。
それが結果的に複雑な素敵なコンピューターとかスマホの動作をしてくれるっていうような話でした。
一旦ここからもう一方というか、スイッチ以外の使い方みたいな半導体の紹介もちょっとしたいなと思います。
これが動体と絶縁体の両方乃り立っているような、要は半導体がもともと持っている複雑さをうまく利用してやることで、いろんな使い方ができるっていうことが起きてきたりします。
その活用法の一つとしてはLEDっていう光を出す、さっき豆連休も見たような話になりましたが、
実際多分シーリングライトとかご家庭でもすでにLEDが入ってたりもすると思うんですけど、あれも半導体と言われるようなものですし、
今度は逆に光を受けてどのくらい明るいかみたいなことを測る光センサーだったり、
磁場を感じて方角を推測する磁気センサーみたいな使い方もできたり、
動きを感じて歩数計みたいな使い方ができる加速度センサーだったり、
電気を流すことで温度差をつけることができて冷却だったり加熱ができるペルチェ素子っていうようなものができたりと、
結構素材だったり作り方を工夫することでいろんなことが実現できるっていうものもあったりするっていうのがまた半導体の面白いことかなと思います。
先ほどまでのスイッチ的な使い方以外の今紹介したような半導体っていうのはまたそれで得意な会社がいろいろとあると思ってて、
LEDで言えば青色LED、青色発光ダイオードでノーベル賞を受賞した中村修司さんがもともといらっしゃった日夜科学っていう会社だったり、
光を感じるセンサーの発展系であるイメージセンサー、絵を撮るためのセンサーで言えばソニーっていうめちゃくちゃ有名な企業さんがすごく強い力を持ってるなっていうのもあったりとか、
その他にもこういった特殊な半導体っていうのは結構まだ日本の企業も強い会社がたくさんあるなっていうふうなことがあったりするんで、
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ニュースで一口に半導体で大変だって言ってても、実はこの半導体っていうものも冒頭に説明したような、前半に説明したようなコンピューターに使うような話と、
こういう特殊な使い方での半導体っていうものもごちゃ混ぜになって話しされちゃうと、ややこしいなって感じさせてしまうものかなっていうふうに思ったりします。
二つ目の使い方で複雑なことができるとかってあったんですけど、半導体のどんな性質で複雑なことができるかっていうのがいまいちぼんやりしてるんですけど。
ということで、後半のほうの話というよりかは、また結局前半のところに戻っちゃうんですけど、最後に半導体の原理というか動作の仕組みみたいなものを最後に解説しようかなと思います。
今回はその中でもスイッチのほう、前半に紹介したほうの動作をまず1個紹介させていただいていこうと思います。
ということで、半導体の仕組みからスイッチを作るまでの話を少ししてみますね。
半導体の作り方によっては、電気の中でもマイナスの電荷を持った電子っていうのが主役として活躍するN型半導体と呼ばれるものと、プラスの電荷を持ったホールっていうものが主役として活躍するP型半導体っていうものがございまして。
ございましてっていうのは何が違うんですか。
作り方でこの違いを作ることができるんですが、半導体でもともとあった状態に対して電子を多めに入るような状態を、電子がたくさんいるような形で作り上げておくとN型の半導体になるし、電子が少なくなるように作ってあげてると、おまかに言えばP型半導体っていうものが作ることができるようになります。
物質が違うの?
大元となる物質は基本シリコンで作られてくるものなんですけれども、そこに加える添加剤と言いますか、塩で味付けするのか砂糖で味付けするのかみたいな状態で作り変えてる感じですかね。
じゃあ、もともとのシリコンってやつに調味料がAとBがあって、こっちを振るかあっちを振るかで性質が変わると。
そうですね。
で、PとNがあると。
はい、PとNがあると。
実際このP型とかN型っていう半導体を作った時点で、実はもう導体って言っていいくらい結構電気は通りやすくなっているものになっていたりしています。
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で、今度はこのN型っていうものとP型っていうものを張り合わせた状態のものを考えてみたいと思います。
これが一応ダイオードっていう素子になるんですけど、最初にこのダイオードの動作について、すごいちゃんとした動作を説明する台本を最初の頃作ってみたんですが、ちょっと面白くもなんともない残念な台本になっちゃったんで。
今回はちょっと電子の動きだけを一個ピックアップして、ちょっと例え話を使って説明してみようかなと思います。
はい。
てことで、電子を厚刈りのおじさんだと思ってみてください。
うーん、なんとなく頑張ってみます。
はい、お願いします。厚刈りのおじさん電子が今回の主人公です。
この厚刈りのおじさん電子から見ると、さっき紹介したN型半導体っていうのはクーラーの効いた涼しい部屋で、P型半導体っていうのは暖房のかかったあったかい部屋っていう状態です。
なので結構、そもそもN型半導体クーラー効いてる方が厚刈りおじさん的には居やすい場所みたいになるんで、N型半導体としてはおじさん電子が多い半導体みたいなことが言えたりするんですけれども。
ダイオードっていうものは、この涼しいN型半導体とあったかいP型半導体を張り合わせて作ることになるんですけども。
こうすると張り合わせた真ん中あたりの空気って混ざり合って、暑くも寒くもないちょうどいい常温くらいの温度になって、そこから中心にしてN型側に行くと涼しくなって、逆側はあったかくなっていくみたいな感じのものになります。
この状態で電気を流そうとするっていうことを考えると、今の例え話でいうと厚刈りのおじさん電子をこの部屋を跨いで奥まで横切ってもらうってことをすることが電気を流すことにつながることになるんですけども。
要は電気の移動自体、電子の移動自体が電気の流れということになるので、実際にこの厚刈りのおじさん電子にこの部屋を横切ってもらおうとします。
あったかいP型側からおじさん電子を放り込むと涼しいN型側のほうに行こうとしてくれるんで、ここ暑いよとか言いながら。
簡単に逆側のほうまで移動してくれる。そうすると簡単に横切ることができることになるんですが、逆に涼しいN型側からおじさん電子を放り込んで部屋を横切らせようとしても、
涼しいN型側の中にずっと溜まっていって、わざわざあったかいほうまで行きたくないよということで、もう全然P型のほうに行きたがってくれないというような状況を引き起こすことができて、
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これ結果的に一方方向にしかおじさん電子が移動してくれないという状況が生まれていて、これが一方方向にしか電気を流すことができないダイオードっていう構造を作り出したことが言えるようになります。
おじさん電子っていうのは、その中にたくさんいて団体でいるっていうイメージでいいのね。
そうですね。
なんとなく最初に聞いたときには、厚苦しいおじさんそんなにたくさん頭の中に出したくなかったんで一人いるのかなと思ったんですけど、団体さんでいて、ぎゅうぎゅうにこっちから押しても嫌だけど反対側からだったらスルスルたくさんの電子がやってくるっていうイメージでいいのかな。
そうですね。厚苦しいおじさんを頭に思い浮かべるのが苦しいですが、ぜひそうしてください。
はい。
一応それでダイオードっていう構造で片側からの流れ方しか流れにくいっていうような状態を作り出すことができたんで、今度はこの涼しいN型、あったかいP型、涼しいN型っていうものをサンドイッチの状態にした3層の構造のものを作ってみます。
はい。
今度はこの状態、真ん中があったかいP型の半導体があって周りが涼しいN型っていう状態をすると、今度はN型のどっち側から、右側?左側?上側?下側?なんでしょうね。
サンドイッチを立てておいたら右側から入れるときと左側から入れるときみたいな感じで、どっちからおじさん電子を放り込んでも結局は涼しいN型のところだけにしか留まらないことになって、今度は全然電気が流れないっていう構造になってくることになります。
うん。
この状態だとほぼ絶縁体の状態が作れるんですけども、この今度はN型、P型、N型のサンドイッチ構造の、サンドイッチでいうと断面の上側からまた別のN型の半導体を近づけるってことをしていきます。
ただこのNPNのサンドイッチの構造のところに近づけるんですが、すごく近くまで近づけつつもくっつけはしないみたいな状態を作ってあげる。そうすると挟まっていたあったかいP型の部分も、そのNを近づけた側は温度が緩和されてそんな熱くなくなってくるような部分ができあがるようになってきます。
はい。
そうすると、もともとはおじさん電子ってこのあったかいP型の領域は全然通りたくねえよっていうふうに言ってたんですけど、ちょっとあそこ涼しくなったから、あそこだったらちょっと通り抜けてもいいよみたいな感じで、なんとかそこの部分、そのN型、涼しいN型を近づけた部分では通り抜けてくれるようになって、この時だけはこの半導体が導体のように扱うことができて、スイッチでいうオンの状態を作ることができるってことができるようになるんですね。
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なんとなくわかったけど、スイッチをコントロールするには?
そうですね。スイッチをコントロールするときには、このN型、後から近づけたN型っていうものが涼しい部屋だったから、さっきの3度1構造の真ん中のあったかいP型の温度を下げることができたんですけど、この近づけたN型っていうのがN型じゃなくて、全然温度としてあったかかったりとか常温だったりしたら、別にこのP型の部分ってあったかいまま、
絶縁体の状態、全然おじさん電子が移動してくれない状態ってのを変えてくれないことになるので、そうすると近づけようとしてたこのN型ってさっきは紹介しましたけど、この部分の電気の状態で、
あったかい涼しいみたいなものをコントロールすることができるようなもので、そこの電気の状態をコントロールすれば、さっきの3度1構造っていうのが絶縁体か動体かっていうのをスイッチをオンオフするように切り替えることができるものができあがることになります。
端っこのところに電気を送るとかすると、通れたり通れなかったりすると。
こうすることで電気で動作をすることができるスイッチっていうものが作れるようになってくる。
あとはこのスイッチを対応に作っていけばいいよというふうになことにつながってくるっていうのが最初のほうの前半の話につながってきます。
一応この半導体の材料としてよく使われるのがシリコンって呼ばれる材料。
シリコンは石とか砂とかを構成する要素。
使い方によってはガラスを作るような主成分だったりもするもので、結構世の中にありふれた材料だったりするんで、
下手に希少な材料を使うよりかは圧倒的に安く作れることができるっていうので、一般的に流通している半導体と呼ばれるものはこのシリコンで作られていることが圧倒的に多いです。
ただもちろんシリコンをN型とかP型に作り変えるとき、さっき調味料の話しましたけど、この調味料が要は異なる材料が必要になってきて、
こっちはシリコンと比べるともうちょっと希少な材料になったりすることがあって、ちょっとそこら辺で問題がある可能性があったりするんですけど、今回はそこまで説明は省こうと思います。
このシリコンをベースに作っていくわけですけれども、さっきも言った通り何億何兆っていう膨大な数のスイッチをここに作り込んでいくことになるんで、
これらのスイッチが正しく正常に動作するためには、結構いろいろと気をつけてあげなきゃいけないってことが出てきまして、
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シリコン以外の不純物、言ってしまえばゴミみたいなものが1個でもベースのあるシリコンに混じって入ってきてしまっている場合は、狙った通りのものが作れないっていう可能性が出てきちゃいます。
なので、このゴミとなるような不純物が混ざらないほぼ100%と言っていいぐらいの高純度なシリコンをベースに作り始めるってことが重要で、またそのベースのあるシリコンを作るのに別の圧倒的な力を持っている会社が別にもあって、
新越化学っていう東北の会社もあったりします。これもまた日本の会社ですね。
新越化学は純度の高いシリコンを作るのが得意。
そうですね。その他にも半導体を作るときにはいろんな装置を使うことになるんですけれども、半導体を作るための製造装置に関しては、世界一のメーカーっていうのがまだまだ日本国内にあったりするなと思ったりします。
ただしかしながら、いざ半導体を作るってなったら、こういった装置をうまく使ってあげる必要があって、またその作り方にもノウハウがあって、みたいなことがあって、またそこも一筋縄じゃうまくいかないっていうことがございまして、
料理でちょっとたどいてみようとすると、いかに高級な材料と高級な調理器具を揃えても、料理人の腕とかレシピがいいものじゃないとおいしい料理が作れないっていうふうなものと同じように、すべてがきちんと揃っていないといい半導体って作れないっていう話もまた別にあったりします。
そういったレシピが他社で使えないようにっていうふうにしてたりとか、外部にはそういったレシピが漏れないように、秘伝の作り方にしていこうみたいな、秘密にしていこうみたいなことをやっていたりする状況で、やっぱり今最高級の料理を作れるっていうのが冒頭では、前半部分では紹介したTSMCっていう会社だけみたいな状態になってしまってるのが現状だったりもします。
多分半導体の知性学って本でもこういったような話が出てたんじゃないかなと思います。
世間のニュースで半導体と一言で済まされがちではあるんですけれども、現実的にはその内訳としてシリコンに代表される材料と半導体製造装置と呼ばれる調理器具みたいなものと、それを扱う半導体メーカーである料理人。
そしてそれらの作り方にあたる設計図であるレシピといろんなものが混ざり合って半導体と一口に語られがちなところがあると思うんですけど、本来実はこれらって全部別物で捉えていかなきゃいけないっていうのがニュースでいう半導体の難しさかなとちょっと思います。
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それでもその根本にある話半導体っていうのはもともとは半分導体で半分絶縁体というこの複雑さをうまく活用することでいろいろなことが実現できているんだっていうふうなところで半導体というものが存在しているという話をさせていただきました。
最後の方はちょっとニュースの方に持って行っちゃいましたけれども、こんな感じで私のお話としては以上です。
ありがとうございます。
はい。
リスナーの皆さん、腑に落ちましたでしょうか。
どうですかね。
今ね、コンピューターの入ってない電気製品ほとんどないですもんね。
そうなんですよね。
エアコンで言ったら温度をコントロールしようというこういうふうな温度の制御には結局は半導体が使われてきたりとか、車も結局は車の動作自体を制御しようとするときに半導体が使われていたりとか、必ずと言っているほど半導体が入ってますもんね。
そうですよね。私がちょっと前まで乗っていたバイクは、スパークプラグをパチってやるところには1個だけ半導体がありましたけど、マイコン系は全く使われてない昔ながらのやつでしたけど、最近のバイクはそういう仕組みだと排気ガスがきれいにならないんで、細かく細かくガソリンの量をコントロールしなきゃいけないから、やっぱりコンピューターでガソリンをどれくらい使うか。
はい。
添加時期をどれくらいにするとかっていうのをいちいち計算してやってるっていうことで、どんな商品にもちっちゃいコンピューターが入ってくる時代になりましたもんね。
そうですね。本当にコンピューターなしじゃ何もできないと言っても過言じゃないんじゃないかってぐらい今、我々の生活は侵食されてるなと思います。
わからないことがあったら、ぜひ追加の質問を皆さん送ってください。
そうですね。ぜひ新人を教育するというつもりで、いろんなご意見をいただけるとありがたいです。
よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
確かね、コンピューターで細かい話をたくさんしてるっていうのは、確かね2年ぐらい前かな。
はい。
この番組の372回、コンピューターの中はめんどくさい計算でできているっていうので、めんどくさい計算の話をしてると思います。
ただね、ポッドキャストだとギリギリ聞けんのかな。
まだギリギリ聞けるかもしれないですね。100回分リリースしてるはずなので。
なので372回で、私がコンピューターの中身はめんどくさい計算でできているというお話をしていますので、そっちも参考にしてみてください。
48:02
はい。
そう。
私も昔聞いてます。
そうなんですよ。
2進数のソロ版の球を作るっていう話をやって足し算をしてメモリーを作って、そうするとプログラムができてコンピューターが動くって話を延々めんどくさい話をしているので、ぜひそちらも聞いてみてください。
はい。
半導体の話していただいたんですけれども、どうでしたか?しゃべってみて。
台本みたいなものを作っているときはいけるって思いながら作ってるんですけども、伝わるぞっていう気持ちで作ってるんですけれども、実際しゃべり始め、吉安さんにも聞いていただきながらしゃべってると、これで大丈夫かなっていう不安感はずっとついて回ったなって気がします。
ということで、ぜひリスナーさんからのメールをお待ちしております。
はい。ぜひお願いします。
はい。そんないりかの時間では皆さまからのメッセージをお待ちしております。
メールの宛先は、rica at mark 0438.jp rika at mark 数字で0438.jpです。
ぜひですね、まさとさんへの質問や励ましのお手紙をお願いします。
お願いします。
メールはですね、私たちのウェブサイト、そんない.comのウェブサイトで、そんないりかの時間の番組一覧が並んでいるところの右側にメールフォームもありますので、そちらからも送っていただけます。
また、そんないプロジェクトでは、この番組のほかにそんなことないっしょ、そんない雑貨店などの番組を配信しております。
またですね、6月いっぱいぐらいで第200回を迎えて最終回となるそんない美術の時間も、もし聞いてらっしゃらなかったら聞いてみてください。
あとですね、そんないプロジェクトでは、他の媒体、ラジオトークやスタンドFMなどでもいろんなことをやっているので、ぜひ探してみてください。よろしくお願いします。
よろしくお願いいたします。
なんか、まさとさんからリスナーの方に言いたいことはありますか?
そうですね。どちらかと言ったら、やっぱり正直な意見は欲しいです。厳しい意見でもぜひメールにしたためて送っていただけると嬉しいですので、ぜひよろしくお願いします。
はい。ということで、おまけのコーナーではですね、オーディオ僕だけでついているんですけれども、おまけのコーナーでは苦労話とかを聞いてみたいと思います。
はい。
そんな理科の時間第467回、お送りいたしましたのは、よしやすと、
まさとでした。
それではみなさん、次回の配信でまたお会いしましょう。さようなら。
また今度。
