半導体の仕組み。シリコンとリン・ホウ素、トランジスタ、大きさまで

2026年11月7日 07:06

スマートフォンやパソコン、自動車、家電の中では、半導体で作られた部品が働いています。ニュースで「半導体」という言葉を見かけることは多いものの、半導体がどのような物質で、どのような仕組みで働いているのかは、あまり知られていないかもしれません。この記事では、半導体の基本の仕組みを、材料・スイッチ・集積回路・大きさの順に、細部には入らずに説明します。

扱うのは、導体と絶縁体の間という半導体の性質、シリコンにリンやホウ素を加えて作る n型・p型の半導体、電気の流れを開け閉めするトランジスタ、たくさんのトランジスタを１つにまとめた集積回路、そして部品の大きさです。

原子のつくりと電子・電荷は原子の仕組みの記事で、電圧と電流、プラスとマイナスが引き合う力は電気の基本の記事で扱いました。本文の［1］のような番号は、押すと出典のページが開きます。

この記事で扱う内容。物質の性質から始めて、材料、部品（トランジスタ）、チップ、大きさの順に進む

半導体は、導体と絶縁体の間の物質

電気の通しやすさで、物質を分ける

銅やアルミニウムなどの金属のように、電気をよく通す物質を導体と呼びます。ガラスやゴムのように、電気をほとんど通さない物質は絶縁体と呼びます。

半導体は、電気の通しやすさが、この２つの間にある物質です。デジタル大辞泉は、半導体を「電気伝導性が導体と絶縁体との中間である物質」と説明しています［1］。

大事なのは、通しやすさを変えられること

半導体の特徴は、通しやすさが中くらいであることよりも、通しやすさを変えられることにあります。世界大百科事典は、半導体の特徴を、電気伝導度の大きさよりも、電気的な性質が温度や微量の不純物などによって大きく変化することだとしています［1］。

半導体の部品は、この「変えられる」性質を利用して作られています。

導体・半導体・絶縁体。半導体は、加えるものや条件によって、電気の通しやすさが大きく変わる

シリコンの結晶に、リンやホウ素を加える

シリコンは、となりの原子と電子を出し合って結びつく

半導体の代表的な材料はシリコン（ケイ素）です。ケイ素は、地殻の中で酸素に次いで２番目に多い元素です［2］。半導体としての需要が多く、高い純度のものが工業的に大量に生産されています［2］。

原子は、中心にある原子核と、そのまわりにある電子からできています。原子核はプラス（正）の電気を、電子はマイナス（負）の電気を持ち、ふだんの原子では両方がつり合っています。物が持つ電気の量を電荷と呼びます。

原子のいちばん外側にあり、ほかの原子との結びつきに使われる電子を、価電子と呼びます。シリコンは、価電子を４個持つ元素です［3］。

シリコンの結晶では、１つの原子が、となりの４つの原子と価電子を出し合って結びついています。このような結晶には、余った電子も、電子の欠けた穴もありません［3］。そのため、純粋なシリコンの結晶は、絶縁体に近い性質を持ちます［4］。

シリコンの原子は、となりの４つの原子と価電子を出し合って結びつく。実際の結晶は立体だが、ここでは平面に描いた

リンを加えると、電子が１個余る（n型）

純粋なシリコンに、わずかな不純物（別の元素）を加えることを、ドーピングと呼びます。ドーピングをすると電気抵抗が大きく下がり、導体のような性質を示すようになります［4］。加える元素の種類によって、n型とp型の２種類の半導体ができます［4］。

リンは、価電子を５個持つ元素です［3］。シリコンの結晶にリンが入ると、５個のうち４個はとなりのシリコンとの結びつきに使われ、残る１個が、結晶の中を自由に動き回れる電子になります［3］。

この電子が電気を運びます。電気を運ぶ電子が負（Negative）の電荷を持つため、このような半導体を n型半導体と呼びます［3］。n は、電気を運ぶものの電荷が負であることを表す名前で、半導体全体がマイナスの電気を帯びているという意味ではありません。

ホウ素を加えると、電子が１個不足する（p型）

ホウ素は、価電子を３個持つ元素です［5］。シリコンの結晶にホウ素が入ると、結びつきの１か所で電子が不足し、電子の欠けた穴ができます。この穴を正孔（ホール）と呼びます［5］。

電圧をかけると、近くの電子が正孔へ移り、その電子がいた場所が新しい正孔になります。これがくり返されるため、正孔が次々に移動していくように見えます［5］。正孔は電子が不足している部分なので正（Positive）の電荷として扱われ、このような半導体を p型半導体と呼びます［5］。

ホウ素は価電子が３個。電子の欠けた穴（正孔）ができ、となりの電子が移るたびに、穴が動いて見える（p型）

トランジスタは、電気の流れを開け閉めする

n型とp型を組み合わせた部品

n型とp型の半導体を組み合わせると、電気の流れを制御する部品を作ることができます。その代表がトランジスタです。トランジスタは「増幅」と「スイッチ」の作用を持ち、電子回路の基本となる素子です［6］。

最初のトランジスタは、１９４７年に米国のベル電話研究所で作られました。ブラッテンとバーディーンが、ショックレーの指揮のもとでトランジスタ効果を発見し、ゲルマニウムを使った点接触型のトランジスタを作って、動作を示しています［7］。１９５６年のノーベル物理学賞は、ショックレー、バーディーン、ブラッテンの３人に、半導体の研究とトランジスタ効果の発見に対して贈られています［8］。

ゲートの電圧で、電気の通り道ができる

トランジスタにはいくつかの種類があり、その１つに MOSFET があります。MOSFET は、金属酸化物半導体を利用した電界効果トランジスタです［9］。主な端子としてソース・ドレイン・ゲートがあり、ゲートは絶縁膜の上に置かれています［9］。

もっとも単純な形の MOSFET（nチャネル）は、p型の基板に２か所のn型の領域を埋め込み、その２か所をつなぐ位置に、半導体と絶縁された金属の板（ゲート）を置いた作りです［10］。

ゲートとソースの間にプラスの電圧をかけると、絶縁膜をはさんで、ゲート側はプラス、半導体側はマイナスの電気を帯びます［10］。ただし、電圧が一定の大きさ（しきい値）より低いうちは、ドレインとソースの間の電圧を上げても、電気は流れません［10］。これがオフの状態です。

電圧をしきい値以上に上げると、ゲートのすぐ下に電子が集まり、p型だった部分がn型に変わった層（反転層）ができます［10］。この層が、ドレインとソースをつなぐ電気の通り道（チャネル）になり、電気が流れるようになります［10］。これがオンの状態です。

絶縁体をはさんで電荷が集まる考え方は、電気の基本の記事で説明しました。

ゲートは、水道の蛇口のハンドルのような役目をしています。ハンドル（ゲートの電圧）を操作すると、水の通り道（チャネル）が開いたり閉じたりします。

MOSFET の仕組み。ゲートにしきい値以上の電圧をかけると、ソースとドレインの間に通り道ができて、電気が流れる（オン）

オンとオフの２つの状態が、コンピューターの０と１になる

トランジスタは、ゲートの電圧によって、電気が流れる状態（オン）と流れない状態（オフ）を切り替えるスイッチとして働きます。名古屋市科学館の解説は、コンピューターの内部では電気のオンとオフを利用しており、オフとオンにあたる０と１だけを使う「二進法」が基礎になっているとしています［11］。

スイッチとして使う１つのトランジスタが表せるのは、オンかオフかの２通りだけです。コンピューターは、このようなスイッチを非常にたくさん組み合わせて、数や文字を表し、計算をしています。

集積回路：たくさんのトランジスタを１つのチップに

トランジスタや抵抗などの多数の回路素子を、１個の基板に組み込んだ超小型の電子回路を、集積回路（IC）と呼びます［12］。基板には、通常、シリコンが使われます［12］。

シリコンの単結晶を薄く輪切りにした円板をウエハーと呼び、IC の出発点となる材料です［12］。ウエハーの上に回路を作り込んだあと、切り分けた小片を、チップまたはダイと呼びます［12］。

１つのチップに入るトランジスタの数は、非常に多くなっています。たとえば、Apple が２０２４年に発表した M4 というチップは、２８０億個のトランジスタで構成されています［13］。

ウエハーの上に回路を作り、切り分けたものがチップ。１つのチップに、数百億個のトランジスタが入るものもある

半導体の部品は、どのくらい小さいのか

ナノメートルという単位

半導体の部品の大きさは、ナノメートル（nm）という単位で表します。１ナノメートルは、１メートルの１０億分の１です［14］。

身近なものでは、人の髪の毛の太さが約８万〜１０万ナノメートル［14］、紙１枚の厚さが約１０万ナノメートルです［14］。また、１ナノメートルは、シリコンの原子がやっと５個並ぶほどの長さです［15］。

ウイルスと比べる

ウイルスは微生物の中でもっとも小さく、直径２０ナノメートルから８００ナノメートル程度です［16］。大腸菌（約１〜２マイクロメートル）の１０分の１から１００分の１程度の大きさです［16］。身近なウイルスでは、インフルエンザウイルスが約８０〜１２０ナノメートルです［17］。一方で、ノロウイルスは約２７ナノメートル［17］と、インフルエンザウイルスよりかなり小さいウイルスです。

トランジスタの並ぶ間隔は、インフルエンザウイルスの大きさよりも短くなっています。２０２０年の IEEE Spectrum の記事は、半導体の国際的な技術ロードマップ（IRDS）をもとに、「５ナノメートル」世代のチップについて、あるトランジスタのゲートから、となりのトランジスタのゲートまでの最小の距離（ゲートの間隔）を４８ナノメートル、配線と配線の最小の間隔を３６ナノメートルとしています［15］。ゲートの間隔の４８ナノメートルは、インフルエンザウイルス（約８０〜１２０ナノメートル）の半分ほどの長さで、髪の毛の太さ（約１０万ナノメートル）の中に、約２０００個並ぶ計算になります。ただし、ノロウイルス（約２７ナノメートル）のように、この間隔より小さいウイルスもあります。

インフルエンザウイルスとトランジスタの並びを、同じ縮尺で描いた。ゲートの間隔（４８ナノメートル）は、ウイルスの直径の半分ほど

「３ナノメートル」は、世代の名前

ニュースで見る「５ナノメートル」「３ナノメートル」などの数字は、製造技術の世代を表す名前で、部品のどこかの長さを、そのまま表すものではありません。同じ IEEE Spectrum の記事は、「７ナノメートル」のトランジスタの重要な部分の多くは、実際には７ナノメートルよりかなり大きく、名前と実際の寸法のずれは２０年ほど続いているとしています［15］。

先ほどの M4 も、「第２世代の３ナノメートル技術」で作られたと発表されています［13］。「５ナノメートル」世代のゲートの間隔が４８ナノメートルだったように、世代の名前の数字と、実際の部品の間隔は、大きく異なります。

「３ナノメートル」「５ナノメートル」は世代の名前。「５ナノメートル」世代でも、ゲートの間隔は４８ナノメートル

まとめ

半導体は、電気の通しやすさが導体と絶縁体の間にある物質で、加えるものや条件によって通しやすさが大きく変わる
代表的な材料はシリコン。価電子が５個のリンを加えると、電子が余る n型、価電子が３個のホウ素を加えると、正孔ができる p型になる
n型とp型を組み合わせたトランジスタは、ゲートの電圧で電気の流れを開け閉めするスイッチになる。オンとオフの２つの状態が、コンピューターの０と１のもとになる
たくさんのトランジスタを１つのチップにまとめたものが集積回路。数百億個のトランジスタが入るチップもある
「５ナノメートル」世代でゲートの間隔は４８ナノメートルで、インフルエンザウイルス（約８０〜１２０ナノメートル）の半分ほど。「３ナノメートル」などの数字は世代の名前

半導体は、材料に加えるわずかな元素の違いを利用して、電気の流れを開け閉めするスイッチを作っています。そのスイッチを非常に小さく作り、１つのチップにたくさん並べたものが、スマートフォンやパソコンの中で働いています。シリコンの結晶、トランジスタ、集積回路という３つの段階を押さえておくと、「半導体」という言葉の中身を、具体的に思い浮かべやすくなります。

免責事項

この記事は、筆者が個人として調べたことをもとに、執筆時点の内容をまとめたものです。分かりやすさを優先し、細かい条件や例外を省いている場合があります。

半導体の構造や寸法は、製品や製造技術によって異なり、技術の進歩によって変わります。正確な情報は、出典や各社の公式の情報で確認してください。この記事の内容を利用して生じた損害については、責任を負いかねます。

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