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半導体でコンピュータ回路に必要な素子が実現できる理屈を調べてみた
電気を通す「導体」と、通さない「絶縁体」があって、その中間の性質をもったものが「半導体」だということくらいは、常識として知ってました。
でも、奥さんに「なぜ半導体でコンピュータの回路ができるか？」と質問されて、うまく説明できませんでした。
ソフト開発を仕事にしているのに、ちょっと恥ずかしいなと思って、頭の整理をかねて、さらっと知らない人に説明ができる程度に整理してみます。
微細な回路は「半導体」を使わないと実現できない
大昔の電気回路だと個別のトランジスタ、抵抗、コンデンサ、ダイオードなんかの素子をプリント基板に配置していて、ひとつでそこそこの大きさがありました。
でも、今では、素子を直径20センチくらいの円盤上に1000素子以上（LSI）、10万素子以上（VLSI）、1,000万素子以上（ULSI）などというレベルで集積されています。
この微細な回路は「半導体」を使わないと実現できません。
ここまでは、もともと知ってましたが、自分は、なぜ「半導体を使うと様々な素子を高集積させることができるのか？」という点で詰まってしまいました。
結論から言えば「回路に必要な素子は半導体を使えば、微細なサイズで、すべて実現できるから」でした。
それが実現できるのを納得するには、半導体の性質と電気回路に必要な素子の役割・仕組みなどを知らないとダメでしたので、以下、それを書いていきます。
半導体
半導体の定義は「なんらかの手段を用いて電子の流れ（電気の流れ）を自由に制御できるもの」です。
なんらかの手段のひとつが「不純物を加える」です。
シリコンやゲルマニウムなどを例にあげます。
これらは、元々は電気を通さない「絶縁体」です。
ところが、そこに不純物を加えると電子を通す（電気を通る）ようになります。
この状態になったら「半導体」と呼ばれます。
しかも、この不純物の加え方でタイプ（型）が変わります。
不純物として電子が余分に含まれているものを加えると、「N型」になります。
不純物として電子が足らないものを加えると「P型」になります。
N型とP型では電子の流れ方が違います。
それらを組み合わせると「電界（プラス・マイナス）の向きによって電気が流れたり、流れなかったりする」・・つまり、電気の流れを制御・・ことができるようになるということなんですね。
ふむふむ。
続けて、電気回路の各素子を見ていきます。
トランジスタ（transistor）
トランジスタは、transfer（伝達）とresistor（抵抗）を組み合わせた造語です。
電流を増幅させたり、スイッチ（流したり・流さなかったり）として動作します。
例えば、増幅は、入力よりも大きいエネルギーの出力を得ることですが、それは電気を通すN型の中にP型による"壁"を設けることで実現します。
細かい仕組みはよくわかりませんが、トランジスタが２種類の半導体（N型とP型）の組み合わせだけで実現できることはわかりました。
抵抗（resistor）
抵抗・・「抵抗器」・・は、電気を通しづらくするものです。
電気を通さない・・ではなくて、通しづらい・・という点がポイントで、電気の通しづらさ（抵抗Ω）を変化させることで、回路に流れる電流を一定に保ったり、大きさを制御したり、電圧をさげたり、分けたりすることができます。。
抵抗の大きさで、電圧と電流を・・・というと、そう・・オームの法則。
なんか遠い昔にならったのを、久々に思い出しました。
こいつですね。
半導体は「電子の流れ（電気の流れ）を制御できるもの」なので、電気の通しやすさをコントロールする抵抗を半導体だけで作ることが可能なのはイメージできます。
ここもわかりました。
コンデンサ（Capacitor）
コンデンサは、電気を蓄えたり放出したりする働きをします。
直流電流をさえぎり周波数で信号をよりわけたり、ノイズを除去する働きもあります。
外から流れ込む電気をそのまま回路に流してしまうと、当たり前ですけど不安定になるのを、コンデンサにいったん電気を蓄えて、そこから回路に流すようにしたら安定させられるというのは、自分みたいな文系頭でもわかります。
コンデンサは、電気を通す導体で絶縁体を挟んだ構造になります。
絶縁体が間にあることで、両居の電極に電気が蓄えられるわけです。
半導体はもともと電気を通さないものが原料ですから、半導体でコンデンサの構造を作れることはイメージできます。
これもわかりました。
ダイオード（diode）
ダイオードは、電気の流れを一方通行にする働きをします。
いろいろな用途に使えます。
例えば、整流機能。
一般的な電源は交流電流なので、電流の方向が常に入れ替わりますが、決まった方向にしか電気を流さないダイオードを使えば、順方向の電流のみを取り出せます。
ほかにも、ラジオなどの電波から音声を取り出したり、電圧を制御したりできます。
太陽光発電で光を電流に変えたりするのも、電気を受けて発行するLED（Light Emitting Diode）なんかも、ダイオードの仲間です。
ダイオード自体が、もともと、N型とP型の半導体を組み合わせることで、電気の流れを一方通行にできる仕組みを利用したものですから、集積回路上でその機能を実現するのは普通にできそうです。
なるほど、半導体で回路に必要な素子は全部作れるな
個別のトランジスタ、抵抗、コンデンサ、ダイオードなどの素子が半導体を使えば実現できることは理解できました。
でも、それぞれが精密な仕組みのものでもありますから、そういうものを数十ナノメートル（ 10億分の1メートル）とかの単位で配置できるのは、なんか、奇跡のようにすら思えます。
まあ。
それはともかく、この程度知っとけば、奥さんには十分説明できそうです。
今回はこんなところで。
ではでは。
