半導体素子

ここでは半導体素子（はんどうたいそし）や半導体部品（-ぶひん）（英:semiconductor device） セミコンダクター・デバイスについて解説する。 半導体素子とは、半導体（英:semiconductor）による素子である。半導体部品とは半導体による部品（電子部品）のことである。 半導体素子は、半導体の電子工学的な特性を利用し、電子部品の中心的機能を担っている。半導体は固体状態だという特徴があるので、「ソリッドステート・デバイス」という用語も「セミコンダクター・デバイス」とほぼ同義に用いられている。 半導体素子にはトランジスタや集積回路（IC・LSI）、抵抗、コンデンサなどがあり、テレビ受像機、携帯電話、コンピュータといった電気製品（電子機器）のほとんどに内蔵され、さらに自動車や各種産業機器などにもコンピュータなどの形で組込まれており、その工学上の重要性は非常に大きい。また経済上の重要性も非常に大きく、世界の半導体市場の売り上げは2009年で2,284億ドルであった。 半導体素子が一般的に使われる前には、電子機器内の能動素子としては真空や気体を利用した電子管（真空管など）が使われていた。しかし、半導体素子には次のような特徴があるため、殆どの応用分野で電子管を代替し、凌駕した。 ヒーターが不要なため消費電力が少なく、電源投入と同時に動作する。 低温で動作するため寿命が長い。 固体であるため振動や加速度に強く信頼性が高い。 同じ動作をさせるのに必要な体積・面積が小さい。 当初電子管に比べて不利とされていた弱点についても、それを補う方法が開発され、さらに広く普及した。 温度による特性の変化が大きいので、補償回路が必要である。→補償回路を含んだ集積回路の製作。 製造工程の少しの変化が大きな特性変化として現れる。→デジタル回路化し、特性のばらつきの影響を小さくする。または、製造工程の管理を厳しく行う。 電気的なストレス（過負荷、過電圧、過電流など）に弱い。→回路設計上の工夫や各種保護回路との併用。 個別半導体：トランジスタ、ダイオードなど 集積回路（IC） 小規模集積回路（SSI）：＜100素子/チップ 中規模集積回路（MSI）：100～1,000素子/チップ 大規模集積回路（LSI）：1,000～100,000素子/チップ 超大規模集積回路（VLSI）：＞100,000素子/チップ モノリシックIC（シリコン基板、SOI基板） ハイブリッドIC（英語版）（厚膜IC、薄膜IC） SOI基板によるデバイス バイポーラ型（npn構造、pnp構造） MOS型（nMOS構造、pMOS構造、CMOS構造 BiCMOS構造（バイポーラとCMOSの混載） デジタル用デバイス メモリ RAM：DRAM、SRAM、FeRAM ROM：EPROM、EEPROM、マスクROM、フラッシュメモリ ロジック（MPU、汎用ロジックIC） メモリ・ロジック混載：システムLSI（System-on-a-chip） アナログ用デバイス：民生用、産業用 デジタル・アナログ混載デバイス 標準（汎用）デバイス：メモリ、MPU、汎用ロジックなど カスタムデバイス：ASIC（フルカスタム仕様） セミカスタムデバイス：ゲートアレイ、PLA、セルベースICなど 多品種少数生産方式デバイス：ASIC、カスタムIC、ロジックIC 少品種多量生産方式デバイス：メモリ、MPUなど 受託生産方式デバイス：ファウンドリ 殆どの半導体素子は、単結晶シリコンを使用するが、他に利用される材料としてゲルマニウム、ヒ化ガリウム (GaAs)、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム (GaN)、炭化珪素 (SiC)、等がある。 半導体材料の伝導性は、結晶構造中の自由電子の過不足を生む不純物に依存する。通常多数キャリア(majority carrier)（N型半導体では電子、P型半導体では正孔）を通じて担われる。しかし、トランジスタなど多くの半導体素子では、動作するためには少数キャリア(minority carrier)N型半導体では正孔、P型半導体では電子が必要である。 半導体の整流効果（電流を一方にだけ良く通す性質）は、元来は方鉛鉱の結晶で発見された。初期のラジオ受信機（鉱石ラジオ）では、鉛の保持具に埋め込んだ方鉛鉱の結晶の表面に「猫のひげ」と呼ばれた細い金属線をわずかに接触させたものが用いられた。 もっとも初期のタイプである。ゲルマニウムなどの半導体表面に針を刺して各端子にする物である。1945年にダイオードが、1948年にトランジスタが開発された。点接触形ダイオードは端子間容量が小さく、高周波特性が良いので検波用ダイオードとして広く用いられ、今日でも特定用途に生産されている。他方、点接触形トランジスタは、トランジスタ発明当時の姿であり、エミッタ端子とコレクタ端子との間隔を微小に保つことの困難さや、動作の不安定さなどからまもなく接合型トランジスタに取って代わられた。 この方式以外の半導体は、原則としてすべて接合型構造に分類される。 純粋な半導体の単結晶を溶融半導体中に入れ、ゆっくり引き上げ棒状に成長させるものである。 レートグローン形 ドナー不純物とアクセプタ不純物をともに少量含ませた溶液から引き上げるものである。引き上げる速度を速くするとP型半導体が成長し、遅くするとN型半導体が成長する。ベース領域が厚くなるため高周波特性を良くすることが困難である。 グローン拡散形 引き上げる過程で溶融半導体中に加える不純物を変化させると結晶の場所によりP型あるいはN型半導体が成長する。これによりダイオードの場合PN、トランジスタの場合P-N-P（あるいはN-P-N)構造を作るものである。 ゲルマニウムトランジスタ全盛期に一般的だった製法である。ゲルマニウムの薄いN型単結晶を、アクセプタとなるインジウム等の金属粒で両面から挟んで熱接合し、合金部分から拡散したアクセプタによってPNP構造を形成したもの。（NPN型もあったが、Siトランジスタでは使われなかったと思われる） ドリフトトランジスタ 表面障壁形 マイクロアロイ形 マイクロアロイ拡散形 断面が台地（メサ）状で、厚み方向に電流を流すものである。PN接合ダイオードの場合PN、バイポーラトランジスタの場合PNP/NPN、サイリスタの場合PNPN構造を形成する。 2000年代では、大電力用パワーデバイスのみに使用されている。 同一平面上に端子用電極を形成したものである。電流経路を短くすることが可能で高周波特性が良いなどの特徴がある。 また、微細加工により多くの素子を並べて写真技術の応用で製造できるためばらつきが少なく大量生産に向く。この特徴を生かしてモノリシック集積回路が発明された。 拡散接合形 半導体基板に拡散やイオン注入などで不純物を含ませるものである。 エピタキシャル形 低い抵抗値の半導体基板の表面に薄い高抵抗の結晶層を形成するものである。 SOI (silicon on insulator) 絶縁体上にシリコンのプレーナ形半導体素子を形成する技術である。絶縁体上の薄膜を利用するので、基板下部からの漏れ電流が少なく、耐放射線性能が向上する。システム液晶ディスプレイ・漏れ電流が少なく高速動作が可能なCMOS-IC・高耐圧MOS-IC・耐放射線素子の製作に使用される。絶縁体には人工的に作られたサファイアが使われることもある(silicon on sapphire:SOS)。絶縁体に熱伝導性の高いダイヤモンド基板を使った素子は大出力発光ダイオードで2015年現在一般的であり、特に超高温となる半導体レーザーは耐熱性の高い窒化物半導体とダイアモンド基板のペアで製造される物が主流である。[要出典] 半導体素子には、トランジスタ、ダイオード（整流器）・発光ダイオード (LED) 等がある。こういった単体の半導体素子は「ディスクリート半導体」（個別半導体）と呼ばれる個別部品として生産・使用されているが、多数の半導体素子を一括して作成した集積回路 (IC, LSI) の方が流通量や産業規模としても大きな位置を占めている。集積回路になると、トランジスタやダイオードといった能動素子に加えて、抵抗やコンデンサといった受動素子も半導体素子として構築される。 パワーエレクトロニクスにおいては電力機器用の電力用半導体素子があり、高電圧、高電流を扱える。 2端子素子は通常「ダイオード」と呼ばれる。 電源整流用ダイオード 定電圧ダイオード（ツェナーダイオード） 可変容量ダイオード 発光ダイオード (LED) PINダイオード ショットキーバリアダイオード（SBD） レーザーダイオード フォトダイオード 太陽電池 サージ保護用ダイオード ダイアック バリスタ エサキダイオード（トンネルダイオード） 素子のオン状態およびオフ状態を外部から与える信号によって任意に切り替えられることが出来るものを自己消弧素子という。 トランジスタ バイポーラトランジスタ ダーリントントランジスタ パワートランジスタ (PTr) 電界効果トランジスタ (FET) 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT） ユニジャンクショントランジスタ (UJT) フォトトランジスタ SIトランジスタ（静電誘導トランジスタ） CCDイメージセンサ（固体撮像素子） サイリスタ (SCR) ゲートターンオフサイリスタ (GTO) 逆導通サイリスタ (RCT) トライアック (TRIAC) 光トリガサイリスタ (LTT) SIサイリスタ（静電誘導サイリスタ） ソニー 東芝 エルピーダメモリ 日立製作所・三菱電機・日本電気のDRAM部門が独立・合併して設立された。 ルネサス エレクトロニクス 日立製作所と三菱電機の半導体部門が合併して設立されたルネサス テクノロジにNECエレクトロニクスがさらに合併して設立された。 パナソニック 富士通 システム・ソリューションズ - 旧・三洋半導体 シャープ 京セラ 沖電気工業 セイコーエプソン ローム サンケン電気 富士電機システムズ サムスン電子 LGエレクトロニクス SKハイニックス TSMC UMC ALi Realtek インテル アドバンスト・マイクロ・デバイセズ テキサス・インスツルメンツ マイクロン・テクノロジ IDT スパンション フェアチャイルドセミコンダクター フリースケール・セミコンダクタ ナショナル セミコンダクター アナログ・デバイセズ GLOBALFOUNDRIES STマイクロエレクトロニクス NXPセミコンダクターズ フィリップスの半導体部門が分社化して誕生 インフィニオン・テクノロジーズ シーメンスの半導体部門が分社化して誕生 キマンダ インフィニオン・テクノロジーズの半導体メモリー部門が分社化して誕生 ファブレスとは、自社内に製造部門を持たずに開発や設計を行い、他社に製造を委託すること、またはその会社を指す。詳細はファブレスを参照。 アルテラ LSIコーポレーション(旧社名:LSIロジック) クアルコム コネクサント ザイリンクス サンディスク シーラス・ロジック NVIDIA ブロードコム マーヴェル・テクノロジ メディアテック ^ 菊池正典著、『やさしくわかる半導体』、日本実業出版社、2000年6月30日初版発行、ISBN 4534030975 ^ 西久保靖彦著、『半導体の基本と仕組み』、秀和システム、2003年3月6日第1版第1刷発行、ISBN 4798004928 ^ 米ガートナー社 2010年3月29日プレス・リリース 前田和夫、2016、『現場の即戦力　はじめての半導体プロセス』、技術評論社 ISBN 978-4-7741-4749-9 真空管 半導体の低消費電力技術