超絶文系が、半導体について解説してみた。【半導体とは？】
さてみなさまこんにちは
まぶちでございますよ。
トマト工業の図書館には理工系の本も多く、中には半導体の本もいくつかあります。
現在半導体不足で、プレイステーション5が買えないとか、あの自動車がつくれないとか
すごい問題になってるんですが、では一体半導体とはなにか？
ということを実はあまりわかってないことが多いので、
私・文系ニワカ家電製品クラッシャー
こと、まぶちが解説していきたいと思います。
超絶文系が解説する意義
理工系ガチガチの方が解説すると、
彼ら特有の早口で
NPN型トランジスタの、P型半導体の空乏層が作用して
簡単にいうと、
＃＄％だから＄”’＄’が影響して
！！＃になる。
ようするに、＄’=＄’*’＄になる。
結論Q'(()))((“!)!!)==KJHJFなんですよ。
まぁマブチさんのような、カタツムリレベルの脳では
ちょっと理解が難しいかもしれませんがね。
ワハハ。
と高速で
専門用語という名の
ハードパンチがバシバシ飛んでくるので、
我々も頭の処理がおいつかず
インテリ・パンチドランカー
になってしまう方も多いと思います。
（いや、お前だけバカッツ❢❢）
そのため、私のような
超絶理解力が低い人間が、
解説することができれば小学生にも説明できるということで
それは大きな意義があるのではないか？
と想う次第です。
というわけでスタート
半導体を一言で言えば？
まず、半導体の概念をつかむために、半導体を一言で言えば？
という質問に対して答えます。
ズバリ
・・・
・・・・
それはスイッチです。
あっニンテンドーの方ではないですよ。
（あたりまえだ❢❢）
スイッチ。
みなさんの家庭にもあるスイッチ。
半導体は、超絶簡単に云うと、
電気を流したり流さなかったりできるもの。
と言えると思います。
パソコンは0と1の情報で制御されているって聞いたことあると思います。
電気を流すor流さないという組み合わせにより電気信号として表現していると言えます。
さっぱりわかりませんよね。
大丈夫です。
解説していきます。
○トランジスタ
半導体≒トランジスタなので、まずこの小さな部品を抑えましょう。
みなさんがイメージする半導体、パソコンの基盤や、スマホの中身なんかは、きっと
これをイメージされると想うんですが、
これは、いいかえるとトランジスタの集合体になります。
このトランジスタが半導体の元になるのですが、
私は学生のとき、これの理解が難しかったです。
トランジスタには２つの機能があると言われました。
それが
スイッチングと増幅。
機能です。
２つの機能があると習ったのですが、その理解が私は全くできませんでした。
もう1㍉も見てないＮＨＫに
料金徴収されるくらい理解できないんです。
年貢か❢❢
（なんの話だバカッ❢❢）
しかしこの2つを理解することで半導体をより深く理解することができるようになります。
ここで概念図というものを出したいと思います。
概念図では、電気の流れを水流としてたとえていきます。
左の絵をみていただくと概念が理解できます。
トランジスタは部品としては3本の足で構成（右図）されています。
なぜ足が3本あるのか。
というのが実は重要なポイントになります。
左の水門をイメージしてもらうとわかるのですが、
ベースという細い水路は少量で水がながれています。
その少量の水の動きで、とりあえず水門のハンドルを動かします。
そうすると、大きな大河の水門がオープンし、大河が流れ始めます。
これはつまり
小さな力で大きな大河を操作する。
これが
スイッチング
の機能です。
以下の図ですね。
スイッチを押す小さな力で、大きな力を制御しています。
実はこの機能というのは我々の工場の機械にもよく使われています。
もうすこし原始的で、その仕組は電磁リレーと呼ばれています。
リレーは、弱電流で電磁石をはたらかせ、スイッチを物理的に動かします。
トランジスタ２つめの機能、
つぎに増幅。
この増幅というのが私は理解できませんでした。
なぜあの小さいトランジスタが、
大きな電力を増幅できるのか？
そのエネルギーは一体どこからきているのか？
という疑問でした。
叶○妹の財源は一体どこからやってくるのか？
しかしそもそもこの増幅というのは字面が悪いです。
増幅というとかめはめ波みたいに、
０からエネルギーが自然に湧いて出てくるようなイメージじゃないですか。
ブラック企業の
”やる気出せよお前ら❢❢”
くらい出てくるはずがありません。
だってそもそもの日常業務でエネルギーが残ってないんです。
（何の話だバカッ❢❢）
ここでいう増幅とは、
スイッチを動かす小さな力で、大きな力を制御する。という意味の増幅です。
（電源は別に用意します。）
先程の水門も、
小さな力で大きな大河を動かしましたよね。
あれが増幅です。
言い換えると、
小さな力で大きな力を自在にあやつる。
というだけの話です。
したがって、大きなエネルギーである動力は別に確保する必要があります。
ここも理解しがたいんですが、
工場の機械であれば、24ボルトという低い電圧でリレー（スイッチ）を動かし、実際のモーター（動力）は200ボルトの高電圧で動かします。
たとえば自動車って、ガソリンエネルギーやEVバッテリーがあるのに、
電装品をうごかすため、別に小さなバッテリーを積んでいますよね。
これも小さなバッテリーで電装品スイッチを動かし、動力はでっかいEVバッテリーや、エンジンで動かします。
工場のリレーと半導体の違い。
では、原理が似ているという工場の物理リレーと、半導体の違いはなんでしょうか？
半導体は
極めて微小な信号(スイッチ)で動力(大パワー)を動かせるということです。
トランジスタは極微小電力スイッチである。
トランジスタは水門となっている部分の性質を変化させることで、大河が導通します。
※電圧をかけることで、空乏層という水門が開通（電気的導通）します。
これが、導通になったり、非導通になったりするということで
半導体と呼ばれています。
セミ(半)コンダクタ(導体)。です。
※最強の下請け企業こと、あのTSMCは台湾・セミコンダクタ・マニュファクチャリング
の略です。
なぜ極めて微小な電気で動くことが重要か。
ではなぜ極めて微小な電気で動くということがそれほど重要なのでしょうか？
原理的には、半導体はスイッチであり、工場にあるリレーと変わらないということがわかりました。
これが次のポイントで、超小型でスイッチングできるのであれば、
小型化でき、それをさらに
低消費電力で動かすことができます。
故に、パソコンやスマホといった電子機器に利用されているのです。
また工場のリレーに戻るのですが、リレーによって人間の意志と関係なく、自動で機械を動かせます。
スイッチによる自動化の仕組み
原理はこうです。
そのためにセンサーを用意します。
まず前側にセンサーを置く必要があります。
工場ではセンサーをおき、センサーから信号（微小な電流）が入ればモーターが動かせる。
のような自動加工のイメージです。
センサーの原理ですが、これもさまざまあり、わかりやすいセンサーだとリードスイッチ(磁石センサ)があります。
磁石の接近を感知するスイッチです。
ちょっとまってください。
なんで半導体なのに、センサーがでてくるんじゃい❢❢
大丈夫です。必ず理解できますので。
リードスイッチは接近した鋼線がガラス筒の中にはいっています。
ここに磁石が近づいてくると、鋼線が引き寄せられ、線が繋がりますよね。
それで一気に電気がながれます。
磁石の接近を感知してスイッチングしたということになります。
センサーって難しいようにみえてこんなような仕組みです。
さて、もしれこれを先の水門のベースにながすことができれば、どうなるでしょうか？
水門が開き、一気に大電流が流れはじめます。
マグネットの接近で、リードスイッチによって、電気が走り、コイルが電磁石となります。
そうすると大型モーターの方のスイッチを動かします。
これ、つまり
人間がスイッチを動かさなくても自動で磁石で動く仕組みができますよね。
原理としては半導体は工場の機械と同じなので、ミクロな世界でもそうした仕組みがあるのです。
さらにスイッチを増やしていくと、論理演算が可能となります。
AorB=Cみたいな式です。
これを論理式といい、CPUのような考える元となっています。
※これはまた別の機会に。
半導体の2つの機能
さて、ここでもさらに疑問が浮かびます。
トランジスタはなんとなくわかった。なんとなく。
だけど、実際の半導体はこれでは説明できないよね❢というところです。
半導体はこのスイッチをつかった論理演算ができるCPUのようなものはなんとなく理解できますが、
もう一つ、記憶型の半導体もあります。
SDカードや、SSDなどです。
なんで、半導体って記憶できるの？
これはどういう仕組なのでしょうか？
私はとても疑問がありました。
さて、パソコンやスマホにもCPU、GPU、メモリなどの半導体が搭載されています。
半導体はロジック(論理)型とメモリ(記憶)型に大別されます。
●ロジック半導体
ロジック半導体は、論理演算をするものです。
CPUなどがこれにあたります。
考える装置みたいなイメージですね。
●メモリ半導体
メモリ半導体は、記憶する装置みたいなイメージです。
いままでの説明だとロジック型は説明できても、メモリ型は説明できませんよね。
半導体記憶のメカニズム
スイッチでなぜ記憶ができるの？
こういう疑問が出てきます。
この記憶に関しては、じつはコンデンサを使います。
パソコンの基盤などにくっついているタンクみたいなやつですね。
これ、電気を貯めるタンクで、コンデンサと呼ばれてます。
凝縮牛乳である、コンデンスミルク。
この凝縮というのが語源っぽいですね。
凝縮して蓄える。
で、先のスイッチにこのコンデンサを合わせると、
記憶のメカニズムが解説できます。
スイッチ(トランジスタ)でタンク(コンデンサ)に水(電気)を入れたり、入れなかったりするイメージです。
ベースでスイッチングされた電気は、コンデンサに電気を貯めます。
※実際はもっと微小なコンデンサです。
そうすると、スイッチが入れば1、空なら0となります。
実際の半導体は、微小のスイッチとコンデンサの集まりです。それが一つのチップに集約されています。
そこでスイッチが入り、コンデンサに電荷がたまったら1、隣のスイッチでは0、隣では1・・・・
となり
1001110110111011101010001100・・・・・・・・
という情報が記録されます。
たとえばアスキーコードで、aを表すデータは、
1100001
になります。
この0と1、スイッチ的にいえば、ｏｎとoffですべての情報を保存できるということになります。
このコンデンサに電荷を貯める。
この仕組によって記憶させている。
といえます。
これが半導体というものの原理や仕組みになります。
おそらく人間の脳にもこのようなメカニズムが働いていると考えられます。
とても説明が難しかったのですが、なんとなく理解できましたでしょうか？
専門家ではありませんので、細かい点に齟齬があろうかと思いますが、その際は遠慮なくコメントでご指摘ください。
このような概念になります。
学んでいくというのは本当に楽しいですよね。
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