パワーエレクトロニクス・半導体デバイス

めざせ! 電力革命
~シリコン(Si)を超えたシリコンカーバイト(SiC)によるトランジスタ

須田淳先生 京都大学大学院 工学研究科 電子工学専攻 半導体物性工学分野

第2回 電子工学の成果・半導体なくして、今の社会なし
~真空管から半導体・IC、そして光へ
 

それでは電気電子工学科でどのような研究がされているのか紹介しましょう。いろいろな研究分野に分かれます。まず電力、エネルギーの分野では社会を支える電気エネルギーに関係した研究室があります。エレクトロニクス(電子工学)の分野ではスマホやデジタル家電、コンピュータの基礎となるエレクトロニクスの新材料や新しい機能を持った部品、高度な集積回路などの研究が行われています。

 

電気電子工学で比較的新しい分野としてフォトニクス(光工学)があります。昔は電気(電子)や電波に関する研究しかありませんでしたが、今ではインターネットは光通信、ビデオディスクも光を使った記録方式です。最先端分野では、この世の中で一番早い光を自由自在に操る新しい研究も出てきています。また、情報分野では、言葉を理解するコンピュータ研究をする先生がいますし、通信の分野では電波を利用する携帯電話や無線LANの研究があります。京都大学では、現在の方式の次の世代、さらに次の世代の技術の研究をしています。このように電気電子工学科は、すごくバラエティに富んでいます。

私の行っている半導体研究について話しましょう。みなさんは電気を流す導体、流さない不導体というものを習っていると思いますが、半導体はその中間の中途半端な材料です。しかしこの中途半端さのおかげで、半導体は信号を増幅することができたり、電気を流すと光って発光ダイオードになったりなど、魅力いっぱいの素材なのです。

図 半導体とは
図 半導体とは
真空管の例
真空管の例

半導体は電子工学、エレクトロニクスに革命を起こしたのですが、まずは、半導体が登場する以前の話をしましょう。半導体が登場する前から、ラジオや電話はありました。どのように電気信号を増幅していたのでしょうか。真空管という電球のようなものを使って、増幅していたのです。君たちのおじいさんの世代の人なら真空管のラジオやテレビを子供の頃使っていたと思います。真空管は電球みたいなものですので、すぐ切れやすく、サイズが大きいという欠点がありました。そこで着目されたのが半導体の不思議な性質を使って信号を増幅することです。苦労の末、アメリカのベル研究所(電話を発明したグラハム・ベルの研究所です)でトランジスタという半導体を使った新しい部品が発明されました。真空管のサイズは電球くらいの大きさですが、トランジスタのそれは1ミリ角のサイコロの大きさになりました。トランジスタの発明者3人はノーベル物理学賞を受賞しました。


図 指先の黒い小さな点が半導体。商品につけるICチップ(画像提供:株式会社日立製作所)
図 指先の黒い小さな点が半導体。商品につけるICチップ(画像提供:株式会社日立製作所)

トランジスタのその次に登場したのが、1ミリ角のチップに数千個の小さなトランジスタを集積して回路にした、集積回路、ICです。その後、この集積化はすさまじい勢いで進み、今では数億個の半導体を集積した大規模集積回路とよばれるものになっています。そのおかげで手のひらサイズのiPhoneができるようになりました。もし、小指の爪先ほどの集積回路でも、真空管で同じものを作ろうと思ったら、体育館くらいの大きさになってしまうんです。すごいですよね。ちなみに集積回路の考え方を発明したジャック・キルビー博士もノーベル物理学賞をもらっています。

 

みなさんのスマホを分解してみると、半導体がどこで使われているかよくわかります。プロセッサ演算処理、音声や画像を記憶するフラッシュメモリー、半導体が光を受けて電気に変えるイメージセンサー(撮像素子)、液晶画面の液晶は特殊な有機物ですが、それを動かしているのは全部半導体です。情報通信分野において、半導体なくして現代社会は成り立たないと言って過言でないのです。

 

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第1回 劇的に世の中を変えたエジソンを見習いたい!

 ~真理追究の理学に対し、工学は、技術で便利さ、環境・資源問題に応える

 

興味がわいたら BookGuide

『天野先生の「青色LEDの世界」

―光る原理から最先端応用技術まで』

天野浩、福田大展(講談社ブルーバックス)

赤と緑の発光ダイオードは比較的早期に実現されたが、青色の実現は極めて困難で20世紀中は無理と言われていた、その青色LEDの突破口を赤崎勇先生との師弟コンビで突破した天野先生による青色LEDの解説。

 

半導体デバイス分野における、高性能な発光ダイオード(当時は存在しなかった青色発光ダイオード)を実現する鍵となる半導体の結晶成長技術について書かれています。

 

天野先生は、当時世の中になかった、最初の青色LEDの実現に成功した研究者です。学生時代の天野先生の研究の苦労、失敗や成功の喜びが分かりやすく書かれています。理工系大学で研究や学会発表をすると言っても想像できないと思いますが、この本を読むとそれがよくわかると思います。

 

研究で成果をあげるということがどういうことかを天野先生の経験を通して具体的に感じて欲しいと思います。ノーベル賞を受賞できるのはごくわずかな研究者ですが、今日の科学技術があるのは、世界中のたくさんの研究者がそれぞれ自分の考え、信念に基づいてあげた成果が集まってなりたっているのです。

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『電子の巨人たち(上・下)』

マイケル・リオーダン、リリアン・ホーデスン 訳:鶴岡雄二、ディーン・マツシゲ(ソフトバンククリエイティブ)

今日の高度なコンピュータ、情報通信を可能にした出発点が「トランジスタ」という半導体デバイスです。この功績でノーベル賞を受賞したショックレー、バーディーン、ブラッテンの時代、半導体の様々な性質が次々と発見され、それがいろいろな応用へと展開していった当時の興奮がわかる本。

『とことんやさしい太陽電池の本』

産業技術総合研究所太陽光発電工学研究センター(日刊工業新聞社)

持続可能な社会実現のための大きな技術の一つ、太陽電池。その原理や材料、最先端研究についてわかりやすい言葉で書かれた本。つくばの産業技術総合研究所のプロの研究者が書いたのでわかりやすいだけでなく、科学的にも正確にかかれています。

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『世界を動かすパワー半導体 ―IGBTがなければ電車も自動車も動かない』

関康和、児玉浩憲(電気学会)

半導体デバイスは、情報通信、LED、太陽電池だけではない。電力を扱うパワー半導体デバイスがある。電車、電気自動車、エレベーターやエアコン、身の回りのありとあらゆるところで使われており、省エネに貢献している。現在の主役のIGBTは日本で実用化されたことも見逃せない。

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