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知識ゼロからものづくりを学ぶ「機械設計エンジニアの基礎知識」

電気のきその基礎を学ぶ

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【目次】

1. 回路の基礎と回路を構成するモノたち ........................................................................................... 4

1-1. 回路の種類 ............................................................................................................................ 4

1-2. 回路記号 ............................................................................................................................... 5

1-3. 回路を構成する基本的なモノ .................................................................................................... 6

2. 直流と交流.................................................................................................................................. 7

2-1. 直流と交流とは ....................................................................................................................... 7

2-2. 交流の発生原理 ..................................................................................................................... 8

2-3. 交流で扱う数字 ...................................................................................................................... 9

3. オームの法則 ............................................................................................................................. 12

3-1. オームの法則とは................................................................................................................... 12

3-2. 素子の合成と計算 .................................................................................................................. 13

3-2-1. 素子に流れる電流の求め方 ........................................................................................................ 13

3-2-2. 素子にかかる電圧の求め方 ........................................................................................................ 13

3-2-3. 抵抗と電流（または電圧）が分かっている場合の電圧（または電流）の求め方 .................... 14

3-2-4. 抵抗の合計値の求め方 ............................................................................................................... 14

3-2-5. コンデンサの合成容量の求め方 ................................................................................................. 15

4. キルヒホッフの法則 .................................................................................................................... 16

4-1. キルヒホッフの法則とは ........................................................................................................... 16

4-1-1. 第一法則 ..................................................................................................................................... 16

4-1-2. 第二法則 ..................................................................................................................................... 16

4-2. キルヒホッフの法則の応用 ....................................................................................................... 17

5. 半導体について .......................................................................................................................... 19

5-1. 導体・絶縁体 ......................................................................................................................... 19

5-1-1. 導体............................................................................................................................................. 19

5-1-2. 絶縁体 ......................................................................................................................................... 20

5-2. 半導体 ................................................................................................................................. 21

5-2-1. 真性半導体 .................................................................................................................................. 21

5-2-2. 不純物半導体 .............................................................................................................................. 22

6. ダイオード................................................................................................................................. 24

6-1. ダイオードの原理・特性 ........................................................................................................... 24

6-1-1. ｐｎ接合 ..................................................................................................................................... 24





6-1-2. 順方向電圧への応答 ................................................................................................................... 25

6-1-3. 逆方向電圧への応答 ................................................................................................................... 26

6-1-4. 電流・電圧特性 .......................................................................................................................... 27

6-2. ダイオードの種類 ................................................................................................................... 28

6-2-1. 発光ダイオード（LED） ........................................................................................................... 28

6-2-2. ツェナー(定電圧)ダイオード ...................................................................................................... 28

7. トランジスタ ............................................................................................................................. 29

7-1. トランジスタの構造・原理 .......................................................................................................... 29

7-1-1. 構造............................................................................................................................................. 29

7-1-1. 回路記号 ..................................................................................................................................... 29

7-1-2. トランジスタの原理 ................................................................................................................... 30

7-2. トランジスタの特性 .................................................................................................................. 31

7-2-1. 増幅作用 ..................................................................................................................................... 31

7-2-2. スイッチング作用 ....................................................................................................................... 32

8. 電界効果トランジスタ(FET) ....................................................................................................... 33

8-1. 接合形 FETについて ............................................................................................................. 34

8-1-1. 構造............................................................................................................................................. 34

8-1-2. 原理............................................................................................................................................. 34

8-2. MOS形 FETについて ............................................................................................................. 36

8-2-1. 構造............................................................................................................................................. 36

8-2-2. 原理............................................................................................................................................. 37

9. 半導体の製造方法 ....................................................................................................................... 39

9-1. 半導体の製造方法 ................................................................................................................. 39

9-2. 集積回路の概要 .................................................................................................................... 43

9-2-1. 集積回路の分類 .......................................................................................................................... 43

9-2-2. 集積回路の素子 .......................................................................................................................... 43

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1. 回路の基礎と回路を構成するモノたち

本章では、回路の基礎を理解して頂くために、

１．回路の種類

２．回路を構成する「回路記号」

３．回路を構成する基本的なモノ

を紹介致します。

1-1. 回路の種類

回路には、さまざまな種類の回路があります。機械設計者には、「アナログ回路」の知識が非常に重要となります。

従って、この章では「アナログ回路」が回路の中でどのような位置付けなのか、また他の回路はどのようなものがある

のか、をご紹介していきます。

まず、回路は大きく分けて、電気回路と電子回路の二つが存在します。

違いは、回路を構成する部品が「受動素子」のみか、「受動素子」 + 「能動素子」か、です。

・受動素子とは

電気を増幅したり他のエネルギーに変えたりしない素子のことを言います。

抵抗やコンデンサ等が当てはまります。

・能動素子とは

受動素子とは逆に、電気を増幅したり、他のエネルギーに変えたりする素子のことを言います。

ダイオードやトランジスタ等が当てはまります。

回路電気回路 … 受動素子（抵抗やコンデンサなど）

電子回路 … 受動素子 + 能動素子（ダイオードやトランジスタなど）





電子回路はさらに分かれます。「アナログ回路」と「デジタル回路」です。

これは、最終的にどのような電気信号を扱うかで分類されます。

アナログ回路は時間とともになめらかに (連続的に) 変化する信号を扱います。

出てきた電圧が 3Vならば、それをそのまま 3V として扱いますし、3.5Vならば 3.5Vです。

デジタル回路では、電気を 0 か 1 の 2 つの信号としてしか扱いません。電圧が 3V の時を１、 0V の時を 0、とし

て設計を行います。

本カテゴリでは、最初に申し上げた通り、機械設計者の知識として重要な「アナログ回路」について、取り扱って

いきます。

1-2. 回路記号

図面上での回路、回路図が何を表しているのかを紹介します。

例として、電球(ランプ)を光らせる単純な回路を書きます。

直線の部分が「導線」です。そしてランプや電源の部分の記号が、回路を構成するモノを表す「図記号」です。

回路図は基本的にこの 2つで構成されます。

回路電気回路

電子回路デジタル回路 …（電気信号を０または１として扱う）

アナログ回路 …（電気信号を連続的なものとして扱う）

回路電気回路

電子回路デジタル回路（電気信号を０または１として扱う）

アナログ回路（電気信号を連続的なものとして扱う）





また、図記号は好き勝手に書くことはできません。日本工業規格である JIS で、どの部品がどの図記号に対応して

いるかが決まっています。

なお、JISは更新されますので、図記号が変わる可能性があります。古い記号を使用している人もいますので、回路

の図面を描く際は最新の JISを参照するようにします。

1-3. 回路を構成する基本的なモノ

最後に回路を構成する基本的なモノを紹介します。

回路を構成するもの解説記号

電源(Power source)

電流と電圧を供給します。電源が無いと回路

は動きません。電源は直流電源と交流電源

があります。

直流電源

交流電源

抵抗(Resistance)

その名の通り電気の流れを妨げ、流れにくく

します。主に流れる電気の量を調整し、回路

が正しく動くようにするために使用されます。

電気を妨げる大きさは「抵抗値」、「R」で表さ

れます。単位は「Ω」(オーム)です。

新 JIS

旧 JIS

(旧 JIS記号も良く使われる)

コンデンサ(Capacitor)

電気を蓄え、放出する働きをします。また、直

流の電流を通さないので、直流電流に対し

ては絶縁 (電気を完全に通さない) の働き

をします。

ダイオード(Diode)

電気を一方方向にしか流さない性質を持つ

素子で、様々な種類があります。実は電気を

かけて光を発する LEDもダイオードの 1つで

す。(発光ダイオードと呼ばれています。)

※仕組みを理解するには半導体の知識が必

要です。

ちなみに LEDの図記号は

本章での紹介は以上となりますが、回路には驚く程多くの部品が存在します。もし回路図を見てわからない部品が

出てきたら、その都度ネットや本で調べてみてください。





2. 直流と交流

本章では、電気における重要な概念として

１．「直流と交流」という電気の種類

２．「交流の発生原理」

３．「交流で扱う数字」をご紹介します。

2-1. 直流と交流とは

電源から供給される電気には、「直流」と「交流」の 2種類があります。

電源に、DC または AC という文字が記載されているのを見た事はあるでしょうか。

DC、ACはそれぞれ、

直流 = Direct Current

交流 = Alternating Current

の略称となっています。本やネット等で調べるときは「直流」、「交流」ですが、電源や家電製品に記載されているの

はこの略称の「DC」「AC」の方です。

まず直流とは、「時間が変化してもプラス、マイナスが変わらない電気」です。

尚、電圧の大きさが変わらない、という条件が加わることもあるようです。

交流は、「時間の変化とともに、プラス、マイナスが変化する電気」です。

下の図に示すように、プラスとマイナスを行ったり来たりします。

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

電

圧

時間

直流

-2

-1

0

1

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

電

圧

時間

交流





2-2. 交流の発生原理

交流の発生原理を理解するには、「電磁誘導」と「フレミングの右手の法則」について理解しなければなりません。こ

こに「磁石」、「電線」、「電流計」があります。図中に磁気力とありますが、これは磁石がお互い引っ張ったり、反発し

あったりする力と考えます。（基本的に磁石は N極から S極への方向へ磁気力が働いています。）

電線を動かしてみると、電圧（起電力）が発生し、電流が流れます。このような現象が電磁誘導です。

上図のとおり、発生する電圧には方向が存在します。この電線の動き（加える力の方向）、磁力の方向、電圧の方

向、３つの関係を簡単に示す法則があります。これが「フレミングの右手の法則」です。フレミングの右手の法則は、

親指：力人差し指：磁力中指：電流という関係を示します。

それでは、本題の交流の発生原理について紹介します。

まず、磁石の間にコイルを置きます。そして、このコイルを回転させると電

磁誘導によって電圧が発生します。発生する電圧はフレミングの右手の

法則によって決定します。





電圧との関係性を図に示すと下図のようになります。これが交流の発生原理です。

2-3. 交流で扱う数字

直流回路においては、基本的に電流、電圧、抵抗を扱います。

交流回路においては、電流、電圧、抵抗以外に、周波数、インピーダンス、角速度、瞬時値等を扱います。

・周波数

交流は言わば波です。波には周期・周波数の概念があります。

交流での周期とは、コイルの円運動一回（1 サイクル）分にかかる時間を言います。そして、周波数とは 1 秒間

に何サイクルあるかを表します。（下図では 1秒間に 4サイクルしているので、周波数は 4Hzです。）

参考

東日本のコンセントから供給される電気は 50Hz、西日本では 60Hz、です。明治時代、東日本の電力会社は

ドイツの発電機を使用し、西日本の電力会社はアメリカの発電機を使用したためと言われています。





・インピーダンス

交流における、電気の流れにくさを示します。直流回路における抵抗のようなものです。

・弧度法

角度を表す単位と言えば、「°(度)」です。しかし交流を扱う上では、「弧度法」と呼ばれる単位を使います。単

位は[rad]（ラジアン）です。弧度法は角度を円周の長さで表します。

単位円と呼ばれる半径 1m の円があります。この円の円周は円周率をπとすると、2π（直径×円周率）となりま

す。この時の円の中心角は 360°です。したがって弧度法では 360°= 2π[rad] となります。同様に 60°の場

合は π/3 となります。

・角速度

交流において角速度とは、「1秒間にコイルが回転する角度」です。

ω（オメガ）で表し、単位は[rad/s]です。角速度は周波数ｆを使用して ω = 2πf と表されます。

・瞬時値

2-2「交流の発生原理」では、電線が磁石の間を横切ったときに起電力が発生すると紹介しましたが、この時の

起電力の大きさは e = Blｖと表されます。Bは磁束密度[T]（磁力の強さのような概念です）、l は磁界を横切

る電線の長さ[m]、ｖは磁界を横切る電線の速さ[m/s]です。

しかしながらこれは、電線が磁石の間を垂直に横切る場合です。もし電線が斜めに横切ったのなら、横切る角

度をθとすると e = Blｖsinθ となります。これは磁石側から見てみると、電線が横切る速度は vsinθとなるた

めです。





これをそのまま交流の起電力として考える事ができ、それを交流の瞬時値と言います。





3. オームの法則

本章では、電気回路の設計に必要不可欠である、

1. オームの法則

2. 素子の合成（直流回路）

3. 素子の合成（交流回路）

についてご紹介します。

オームの法則を理解すると、抵抗と電源を用いた簡単な回路の計算ができるようになります。

3-1. オームの法則とは

オームの法則とは、「電流は電圧に比例する」という法則です。1826 年にゲオルグ・ジーモン・オーム氏が発見・

公表したものです。オームの法則を実際の回路で考えてみます。抵抗の値は 10Ω(一定)として、電流と電圧の関

係をグラフで示すと下図のようになり、電流は電圧に比例します。

これを式で表すと、

I（電流） = Ｖ（電圧）

Ｒ（抵抗） … オームの法則

例えば、回路で抵抗が 10[Ω]で、電圧が 5Vの時ならば、電流は 0.5 [A]（=500mA）となります。

オームの法則は、回路設計でよく利用されるため記憶しておくと良いでしょう。またオームの法則の覚え方・所望の

値の求め方として、以下があります。





3-2. 素子の合成と計算

回路には直列接続と並列接続があります。

直列接続は直線上に素子が接続され、並列接続は素子が並列に接続されています。この素子の接続方法の違い

によって、電流、電圧、抵抗の計算方法が異なってきます。

3-2-1. 素子に流れる電流の求め方

⚫ 直列接続の場合回路のどの点においても、電源から供給される電流値は同じになります。

⚫ 並列接続の場合電圧が一定となるので、接続されている素子によって電流値は異なります。

3-2-2. 素子にかかる電圧の求め方

⚫ 直列接続の場合素子の抵抗・電流に関係して異なります。

⚫ 並列接続の場合電源と同じ電圧になります。





3-2-3. 抵抗と電流（または電圧）が分かっている場合の電圧（または電流）の求め方

次に、下図のように、素子の抵抗が 100Ωと 200Ωと分かっていて、電流または電圧のどちらかが与えられた場合の

電流または電圧はオームの法則を利用して、下記のように求めることができます。

⚫ 直列接続の場合

素子 R1にかかる電圧 V = 0.1A × 100Ω = 10V

素子 R2にかかる電圧 V = 0.1A × 200Ω = 20V

⚫ 並列接続の場合

素子 R1に流れる電流 I = 10V ÷ 100Ω = 0.1A

素子 R2に流れる電流 I = 10V ÷ 200Ω = 0.05A

3-2-4. 抵抗の合計値の求め方

回路設計の場合、電源から供給される電流と電圧を決める必要があります。

電流と電圧が多すぎると壊れることになり、少なすぎると回路が動かない場合があります。従って、このような問題を

回避するために、回路全体の抵抗の合計値を求めることになります。

回路全体の合計値の求め方は、直接接続と並列接続で異なります。


抵抗の合計値は回路の抵抗を足し合わせる

R = R1 ＋ R2 ＋R3 ＋…


接続すればするほど値が小さくなる

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +…





3-2-5. コンデンサの合成容量の求め方

コンデンサでの合成容量のルールは、抵抗とは逆となります。


1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 +…


C = C1 ＋ C2 ＋C3 ＋…

参考：コンデンサの振る舞い

コンデンサは電気を蓄え、放出する働きがあります。コンデンサの大きさは、静電容量 C [F]（ファラド）と呼ばれるも

ので決まります。この静電容量が、コンデンサが電気量を蓄えることができる大きさの目安となります。

次に充電と放電ですが、単純なコンデンサ回路 (電源と、抵抗とコンデンサのみで構成されたもの) で考えてみま

す。この回路に流れる電流と時間の関係をグラフに表すと以下のようになります。

最初はコンデンサに電流が流れ、次第に 0 となり、最後は電流が流れなくなります。電流が 0 になるまでの現象を

「過渡現象」といいます。この間にコンデンサが充電されます。また、充電されたコンデンサに抵抗をつなぐと、電流

が流れます。そして、充電されていた電気が無くなると、電流は流れなくなります。





4. キルヒホッフの法則

本章では、回路設計を行ううえで非常に重要な「キルヒホッフの法則」についてご紹介します。

4-1. キルヒホッフの法則とは

キルヒホッフの法則は、１８４５年グスタフ・キルヒホッフにより発見されました。オームの法則と並び、電気回路設計

においては必ず使用すると言って良いほど重要な法則です。キルヒホッフの法則には第一法則と、第二法則があり

ます。

⚫ 第一法則

回路中の任意の電流の分岐点において、流れ込む電流の和と流れ出る電流の和は等しくなる。

⚫ 第二法則

回路中の任意の閉回路において、電源電圧（起電力）と負荷で消費される電圧（電圧降下）の和は等しくなる。

4-1-1. 第一法則

下図のように、回路中の、ある分岐点に入った電流と出ていく電流の和が等しくなる、

つまり I1 + I2 = I3 が成り立ちます。またこの式を変形すると、 I1 + I2 - I3= 0 という

風に、「ある分岐点の電流の総和が 0になる」と言えます。

4-1-2. 第二法則

下図のようなひとつの環となっている閉回路の中で、起電力 E1、E2 と抵

抗（負荷）R1、Ｒ2 にかかる電圧 V1と V2の和は等しくなり、 E1 - E2 = Ｖ1 +

Ｖ2 となります。ここでE2の符号が-となっております。それは今回、「時計ま

わりを正」として閉回路を考えたからです。閉回路を考える際、正の方向

を決めなくてはなりません。方向は計算上どちらにしても同じ式が導き出せ

ます。また、こちらも式を変形すると、 E1 - E2 – Ｖ1 - Ｖ2 = 0 となり、「閉回

路での電圧の総和は 0になる」と言えます。





4-2. キルヒホッフの法則の応用

実際の回路において、キルヒホッフの法則が必要となるのは、複数個の電源がある場合等、オームの法則だけで

解けない問題が出てきたときです。下図の回路を例に、キルヒホッフの法則の活用方法を紹介します。

キルヒホッフの法則を用いて電流・電圧・抵抗の式を立てる際は、下記のような手順に従います。

① 回路上の電流の向きを考える。

② 任意の分岐点に注目して、第一法則を適用し式を作る。

③ 閉回路をたどる向きを考える。

④ 各閉回路に対し、第二法則を適用し式を作る。

順番に説明します。

① 回路上の電流の向きを考える。

はじめに回路上の電流の向きを決め、矢印と記号を描きます。回路上を流れる電流の向きは決まっています

が、計算上の流れの向きは自由に決めることができます。（この理由については、後ほど説明します）





② 任意の分岐点に注目して、第一法則を適用し式を作る。

今回は図中の A点に注目し、①で考えた電流の流れを考慮しながら、第一法則を適用します。

A点における電流の総和は I1 + I2 = I3 ・・・(1) となります。

③ 閉回路をたどる向きを考える。

次に閉回路をたどる向きを考えます。今回は閉回路を 2つ考えます。

④ 各閉回路に対し、第二法則を適用し式を作る。

描いた閉回路を元に、「第二法則」および「オームの法則」を用いて電圧の式を立てます。

式は各閉回路ごとに、極性に注意しながら立てます。

・閉回路１ E1 = R1I1 + R3I3 ・・・(2)

・閉回路２ E2 = R2I2 + R3I3 ・・・(3)

以上で、第一法則で立てた電流の式とで連立方程式ができます。

I1 + I2 = I3 ・・・(1)

E1 = R1I1 + R3I3 ・・・(2)

E2 = R2I2 + R3I3 ・・・(3)

通常、抵抗、電圧、電流のどれかの値は判明しているので、与えられた情報を連立方程式に代入し、求めたい値

を算出します。

それではもし、①で考えた電流の向きが、実際の回路の電流の向きと逆だった場合はどうなるのでしょうか。その場

合、計算結果はマイナスの符号が付き、実際の流れと同じになります。したがって電流の向きを考える際は、任意

の方向で問題ないということです。





5. 半導体について

前章までに学んだ内容で、抵抗と電源を用いた簡単な回路の計算ができるようになりました。

ここからは、その他の素子（ダイオードやトランジスタなど）について学んで頂きます。そして、この章ではダイオード

やトランジスタを理解するために必要な「半導体の原理」についてご紹介します。

半導体は私たちの生活の中で欠かせないものとなっています。家電製品、パソコン、メモリ、などさまざまな製品で

利用されています。この半導体を理解するために、まず導体と絶縁体について解説します。

5-1. 導体・絶縁体

世の中の物質は、大きく分けて導体・絶縁体・半導体に分類することが出来ます。その違いは電気を通すことがで

きるかどうかです。

導体 ......................... 電気をよく通す物質

絶縁体 ...................... 電気をあまり通さない物質

半導体 ...................... 導体・絶縁体両方の性質をもつ物質

5-1-1. 導体

電気を流す、流さないということはその物質の「自由電子」によって決定されます。

ここからはとても小さなミクロの世界の話となります。ある物質をものすごく細かく見ると、原子で構成されていること

が分かります。その原子をさらに細かく見ると、原子核と電子に分けられます。実はこの電子が、電気を運んでい

るのです。

絶縁体半導体導体

電気を通さない電気をよく通す





金属等の導体では原子が規則正しくならんでおり、その原子の間を電子が自由に動くことができます。この電子を

「自由電子」と呼び、導体が電気を良く流す理由となっています。

5-1-2. 絶縁体

絶縁体は電気を運ぶ役目を果たす自由電子がほとんどないため、電気を流すことはできません。

絶縁体の例として、ゴムやプラスチックがあります。これらの物質の利用方法として、電線にゴムを被覆して絶縁に

利用されます。

以上をまとめますと、

導体 ......................... 自由電子がたくさんあるため電気をよく通す

絶縁体 ...................... 自由電子がほとんどないため電気をあまり通さない

となります。





5-2. 半導体

それでは次に半導体について解説します。半導体は、「導体・絶縁体両方の性質をもつ物質」です。

その理由を紹介していきます。

まず、半導体は「真性半導体」と「不純物半導体」に大別されます。

5-2-1. 真性半導体

真性半導体の代表例である「シリコン」を細かく見ると、原子が規則正しく並んでいることがわかります。

この電子達は共有結合というもので固定されており、動くことができません。しかし、このままでは自由に移動できる

電子が無くほとんど電気を流しません。これが電気を通さない性質となります。

そこで、シリコンにあるエネルギー（光・熱・電界等）を与えます。そうすると電子が外部エネルギーによりはじき出さ

れて、自由に動けるようになります。よって、電流が流れるようになるのです。





また、自由電子となった電子が抜けた後の場所は、正の電気を持つ「正孔（ホール）」と呼ばれるものになります。

逆に、電子は負の電気を持ちます。非常に重要な概念ですので覚えておきましょう。

5-2-2. 不純物半導体

続いて不純物半導体について、こちらも「シリコン」を用いてご説明します。「不純物」、なので、シリコンに不純

物を混入させます。ここではまず P（リン）を入れてみましょう。

実はリンはシリコンよりも電子を 1 つ多く持っています。リンを混ぜたシリコンの中では、1 つ電子が余る事になりま

す。この余った電子が自由電子となり、電気を流すことができるのです。

この場合、正の電気を持つ「正孔」よりも負の電気を持つ「電子」が多いという状態となり、そのような不純物半導

体を「n形半導体」と呼びます。（nは negativeの nです）





次は、Ｂ（ホウ素）を不純物としてシリコンに入れてみます。ホウ素が持つ電子は、シリコンよりも１つ少ないです。

すると、電子が１つ不足した状態となり、正孔が１つできます。

この正孔は不安定であり、近くにある電子を引きつけて安定しようとします。そうすると、また電子が抜けた後の場所

が正孔となります。このようなことを次々と繰り返すことによって電子の移動が起こり、電気が流れることができます。

この場合、正孔の方が電子より多いので、この不純物半導体を「p形半導体」と呼びます。

以上が半導体の原理となります。

次に、「ｐ形半導体」と「ｎ形半導体」を組み合わせた「ダイオード」について説明します。





6. ダイオード

前章では半導体の原理についてご説明しました。

この章では、電流を一定方向にしか流さない半導体を用いた素子であるダイオードについてご紹介します。

6-1. ダイオードの原理・特性

6-1-1. ｐｎ接合

ダイオードは、ｐ形半導体とｎ形半導体を組み合わせた「ｐｎ接合」という構造をしている素子です。

ここで「空乏層」というものが出てきます。

ｐ形半導体は正孔が多く、ｎ形半導体は電子（自由電子）が多いのが特徴でした。

図の空乏層では、正孔と電子が結合してしまい、電気的に絶縁された状態となっております。

（正孔と電子がいないような状態）





6-1-2. 順方向電圧への応答

それでは、このｐｎ接合に電圧をかけてみます。

ちなみにダイオードでは電流が流れ込む側（+）を「アノード」、電流が出ていく側（-）を「カソード」と呼びます。

ちなみに電圧の高い・低いで分けるのが正極・負極です。

今回はアノード側へ+の電位がかかるように電源を繋げます。この方向へかける電圧を「順方向電圧」といいます。

上記図のように電圧をかけると、アノード側には+の電位がかかります。

すると、ｐ形半導体の正孔（+）は+同士で反発しあい、ｎ形半導体の方へ移動します。

逆にカソード側には-の電位がかかり、ｎ形半導体の電子（-）は-同士で反発しあい、

ｐ形半導体の方へ移動します。

正孔と電子が移動している、ということは「電流が流れる」ということです。

したがって、「順方向電圧をかけたときは電流が流れます。」





6-1-3. 逆方向電圧への応答

次に逆方向へ電圧をかけてみます。

準電圧とは逆方向なので、「逆方向電圧」です。単純ですね。

順方向電圧をかけたときとは真逆の現象が起きます。

アノード側には-の電位がかかります。

すると、ｐ形半導体の正孔（+）はアノードの-に引き寄せられ、ｐ形半導体の端へ移動します。

カソード側には+の電位がかかっているので、ｎ形半導体の電子（-）はカソードの+へ引き寄せられ、

ｎ形半導体の端へ移動します。

したがって正孔と電子の移動はほとんどなく、電流が流れない状態となります。

つまり「逆方向電圧をかけたときは電流が流れません。」

最初の章で、「ダイオードは電気を一方向にしか流さない」と説明しましたが、

上記の原理によるものだったのです。





6-1-4. 電流・電圧特性

順方向電圧と逆方向電圧の応答により、ダイオードの電流・電圧特性はとても個性的です。

まず順方向電圧をかけた時ですが、「電流をよく流す応答」のはずですが電流が流れない状態があることがわかり

ます。これは電子や正孔が、空乏層を乗り越えるために必要なエネルギーと考えてください。このエネルギー（電圧）

は物質によって変わります。（例えばシリコンダイオードでは約 0.7V、ゲルマニウムダイオードでは約 0.2V）

次に逆方向電圧をかけた時ですが、ある電圧で一気に大きな電流が流れていることがわかります。

この現象は「降伏現象」といい、この時の電圧を「降伏電圧」といいます。





6-2. ダイオードの種類

ここでは、２種類のダイオードとその特徴を説明します。

※基本原理は以上で説明したものとほぼ同じです。

6-2-1. 発光ダイオード（LED）

不純物の濃度が濃いダイオードであり、その名の通り電流を流すと発光します。

ダイオードに順方向電圧をかけると、電子と正孔が移動します。

移動する際に電子と正孔が衝突し、結合するものがあります。

その衝突の際生じるエネルギーが、光となって放出され発光するのです。

電流をより多く流せばより明るく光りますが、大きすぎる電流を与えると簡単に壊れますので注意が必要です。

ちなみに LEDの発光色は、用いられる材料によって変わります。

6-2-2. ツェナー(定電圧)ダイオード

降伏現象を利用して、電流が変化しても一定の電圧となるようにする素子です。

通常のダイオードと違って、逆方向に素子を繋ぎます。通常のダイオードでは、逆方向で利用していると

やがて破壊されてしまいますが、破壊しない構造となっています。

用途としては、例えば１１～１４Vで変動する入力電圧から一定の電圧を得たいとき等に使用されます。

以上でダイオードの説明は終了となります。

ダイオードには他にも様々な特徴があり、回路にとって非常に重要な役割を担っています。

基本さえ理解していれば他の用途の理解もしやすくなるので、是非ダイオードの原理を覚えていってください。





7. トランジスタ

本章では、ダイオードより少し複雑となる「トランジスタ」について、ご紹介します。

7-1. トランジスタの構造・原理

7-1-1. 構造

トランジスタは、信号を増幅したり、スイッチを動作させたりする半導体素子であり、+の性質を持つ「p 形半導体」と-

の性質を持つ「n 形半導体」を３層、組み合わせた構造となります。また、下図に示すように、p-n-p と n-p-n の２種

類の組み合わせ構造があります。トランジスタの素子からは 3本の足が出ています。下図の左から、コレクタ（C）・ベ

ース（B）・エミッタ（E）となります。

7-1-1. 回路記号

回路記号は p-n-p と n-p-nのそれぞれの構造で異なります。

◆ p-n-p形

◆ n-p-n形





7-1-2. トランジスタの原理

次に、トランジスタの特性を理解していただくために、トランジスタの原理を先に

説明します。まず、右図は「n-p-n形」を示しております。このトランジスタに 2つ

の電源を接続し、電圧を加えていきます。

電圧を加えると、エミッタ側にある多くの自由

電子、これらはｐ形半導体領域を飛び越え、

コレクタ側に移っていきます。このために、p

形の領域は非常に薄く作られているのです。

しかしながら、全ての電子がコレクタ側に移動

するのではなく、一部の自由電子は p形半導

体内の正孔と結合します。

さらに、結合して消滅する自由電子のほか

に、ベース側に移動し、そのままベース電流

となる電子もいます。





以上、n-p-n形のトランジスタ内で起こっている現象からトランジスタの原理を説明いたしました。

7-2. トランジスタの特性

トランジスタは、先ほどの原理を利用して、小さな電流を大きな電流にする増幅作用、回路のスイッチなどの特性を

持つことができます。

7-2-1. 増幅作用

トランジスタの「増幅作用」とは、電源から供給される電流を何倍にも大きくさせるものではなく、「非常に小さな電流

をベースに流すことで、エミッタ・コレクタ間に大きな電流を流すことができる」とった現象を表します。

ベース電流 Ibとコレクタ電流 Iｃとしたとき、その特性は以下のグラフのようになります。なお、グラフの数値はトランジ

スタの種類によって異なります。

ここで、電流の単位は、横軸「μA」、縦軸「mA」となっており、縦軸は横軸の 100倍の値を示しております。（Ibが

10μAの時、Icは１mA、従って、ibは icの 100倍。 μ(マイクロ)は 10のマイナス 6乗、mは 10のマイナス 3乗））

トランジスタは、「バイポーラトランジスタ」とも呼ばれます。（バイ=bi（数字の２の意味）、ポーラ=polar（極数の

意味）、自由電子と正孔を利用するためこのような名前となります。）





また、 Ib と Iｃは、比例関係となります。（厳密には、グラフは直線にはなりませんが、ここでは説明を割愛）

従って、非常に小さなベース電流 Ibをコントロールすると、Ibに対して非常に大きな電流 Iｃを動かすことができると

いうことになります。ここで注意すべきなのは、冒頭でも説明したとおり、出力電流はコネクタ側に接続されている電

源から供給されており、入力電流がそのまま大きくなるわけではないということです。これが、トランジスタの増幅作

用と呼ばれるものです。

7-2-2. スイッチング作用

この特性は、主にデジタル回路で使用されますが、トランジスタの重要な特性として紹介します。

今一度 Ic と Ibの関係性について考えます。増幅作用の説明時に使用したグラフの横軸となるベース電流（Ib）をさ

らに増加させると、下記のように、コレクタ電流（Ic）は、ある一定値を超えると増加しなくなります。このような状態を

「飽和」といいます。

この「飽和」を利用することで、オンとオフの切り替えができる「スイッチ」のような動作を実現することができます。

つまり、

といったように、Ibを操作することにより、オン・オフを切り替えることができます。Ibを流すのか、流さないのかでスイ

ッチのような動作を実現することができます。これがトランジスタのスイッチング作用となります。

トランジスタのスイッチングは、機械式のスイッチと異なり、非常に高速に動作することができ、また寿命も長いという

長所があります。

また、デジタル回路では、電流が 0 となる状態を「0」、一定の値となる状態を「1」として使用されます。

Ibが飽和した値： Ic （オン）

Ibが 0 ： Ic＝0 （オフ）





8. 電界効果トランジスタ(FET)

本章では、電界効果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor）と呼ばれる素子を紹介します。

（以降、電界効果トランジスタを FET と略します。）

FETはトランジスタと同じように、「ゲート（G）」、「ドレイン（D）」、「ソース（S）」の 3端子が存在します。

回路記号は下記となります。

FET の主な特性は、「ゲート部にかかる電圧（ゲート電圧）によってソース・ドレイン間の電流を制御する」というも

のです。トランジスタは電流によって制御していましたが、FET は電圧により制御します。また、FET は「接合形」と

「MOS形」という 2種類に分かれます。（接合形 FET・MOS形 FET）

それぞれの構造と原理を次に紹介します。

FET

接合形 FET

MOS形 FET





8-1. 接合形 FETについて

8-1-1. 構造

接合形 PET の構造と基本回路は下図のようになっています。トランジスタと同様に、p 形半導体と n 形半導体で構

成されておりますが、トランジスタのように層の構造になっておりません。

また、図では p 形半導体がゲート側、n 形半導体がソース・ドレイン側につながっておりますが、p と n が反転したも

のもあります。今回、図で表しているものは nチャネルの FET、反転したものは pチャネルの FET と呼ばれておりま

す。“チャネル”という言葉については後程説明します。

8-1-2. 原理

基本回路の電源より、FETに電圧をかけた状態を考え

てみます。まず FET のソース・ドレイン側に接続された

電源Ⓐを考えます。





ドレイン側にはプラス（+）の電圧、ソース側にはマイナ

ス（-）の電圧がかかるので、n 形半導体内の自由電子

はドレイン側へと移動します。

自由電子が移動するということは、電流が流れていると

いうこととなります。この電流をドレイン電流（Iｄ）と言い

ます。また、この自由電子もしくは正孔が移動できる通

り道のことを「チャネル」と言います。このケースでは、

自由電子が移動しているので「n チャネル」となります

が、正孔が移動している場合は、「ｐチャネル」となりま

す。

次にゲート・ソース間の電源Ⓑに電圧がかかっている

状態を考えてみます。p 形半導体にマイナスう（-）の電

圧がかかり、正孔はゲート側に引き寄せられます。する

と p 形半導体と n 形半導体の間には空乏層が広がっ

ていきます。

ゲート側にかかる電圧（ゲート電圧 Vg）の大きさと共

に、空乏層の大きさが変化します。ゲート電圧が大きく

なると空乏層も大きくなります。逆も然りです。

空乏層内が大きくなると、ドレイン電流の流れをどんど

ん妨げていきます。（チャネルが狭くなる）

逆に言えば、空乏層を小さくするとドレイン電流は流れ

やすくなります。（チャネルが広がる）

つまり、ゲート電圧の大きさを操作する＝空乏層の大

きさを変化させることで、ドレイン電流の大きさを制御

することができます。以上が接合形FETの基本原理で

す。





8-2. MOS形 FETについて

8-2-1. 構造

次にMOS形FETについて紹介します。例として、nチャネルのMOS形FETの構造と基本回路を下記に示します。

n 形半導体とｐ形半導体を組み合わせている構造は変わりませんが、絶縁膜という自由電子や正孔の動きをさえぎ

る層が存在します。

因みに MOS とは「Metal Oxide Semiconductor」の略で、Metal は電極の金属、Oxide は絶縁膜の酸化膜、

Semiconductorは半導体を示します。





8-2-2. 原理

それでは、MOS形 FETに電圧をかけた場合の動作を

考えてみましょう。

まずソース・ドレイン間の電圧Ⓐに対する動作につい

てです。

ソース側にマイナス（-）の電圧、ドレイン側にプラス（+）

の電圧がかかります。

しかしながら、このままではｐ形半導体の中を自由電子

が移動することはできません。（正孔によって阻まれる）

したがってこの状態ではソース・ドレイン間の電流（ドレ

イン電流 Id）は流れません。

つぎに、ゲート・ソース間の電圧Ⓑに対する挙動を考

えてみます。

ゲート側にはプラス（+）の電圧がかかり、ｐ形半導体内

の自由電子が絶縁膜付近に集まってきます。





するとｎ形半導体の間には、自由電子によるチャネル

が形成され自由電子が移動できるようになり、ドレイン

電流 Idが流れることができます。

このチャネルの大きさも、ゲート電圧の大きさによって

変化します。したがって、ゲート電圧の大きさによりドレ

イン電流の大きさを制御することが可能となるのです。

以上で、電界効果トランジスタの説明は終わりです。





9. 半導体の製造方法

本章では、ここまでで解説してきました「ダイオード」や「トランジスタ」などの半導体が、どのようにして製造されてい

るのかご紹介します。

半導体は非常に小さな部品です。その扱い方も特殊で繊細さを求められます。どのような過程を経て作られるのか

学ぶことによって、扱い方を理解できるようになります。また、本章では、半導体を密集させた、「集積回路」につい

ても合わせてご紹介します。

9-1. 半導体の製造方法

ダイオードやトランジスタなどの「半導体の製造方法」について説明します。

半導体は、シリコン基板上に「金属などの膜」を積み重ねていきます。非常に小さなスケールの世界となるため、シ

リコン基板の純度や、基板上の小さなゴミが大きな問題となってきます。

半導体製造のサイクルは、大雑把に示すと下図のようになります。

次に、これらの工程を詳細に説明していきます。

シリコンの

切り出し洗浄成膜ﾘｿｸﾞﾗﾌｨ不純物拡散電極作成





① シリコンの切り出し

「インゴット」と呼ばれる、シリコン基板のベースとなる大

きなシリコンの単結晶棒から、半導体の基板となる薄

い板上にシリコンを切り出していきます。

この切り出したシリコンを、「シリコンウェハ」、通称「ウェ

ハ」と呼びます。右図のように、ウェハは円の一部が欠

けた形状となっております。これは後工程で、さらに切

り出す際の角度基準にするためのものです。

因みに、半導体に使用されるシリコンの純度は「イレブ

ン・ナイン」と言い、「９９．９９９９９９９９９％」という値が

要求されます。

② 洗浄

次に、クリーンルームで、切り出したウェハを洗浄しま

す。半導体は塵やほこりが付着したままですと大きな

問題となるため、薬品などによってきれいに洗浄されま

す。

（クリーンルームとは、1 立方メートルあたりの塵・埃の

数が制御された空気清浄度が確保された部屋のこと

です。）

③ 成膜

次に、きれいに洗浄されたウェハの上に、酸化膜を乗

せていきます。方法は様々です。（図はウェハの断面

を示す）

例えば、酸化膜の場合、高温に加熱した炉の中で酸

素や水素などのガスを導入し、酸化させる方法があり

ます。また、シリコン酸化膜をプラズマによって拡散さ

せ、ウェハ上に直接膜を形成させる「スパッタ」と呼ば

れる方法等もあります。





④ リソグラフィ

基板上の酸化膜や電極を意図した形にしていきます。

というのも酸化膜や電極は平面に一様になっているの

ではなく、MOS 形 FET のように一部が酸化膜となって

いたり、電極となっていたりします。

このパターンを作成する技術が、「リソグラフィ」です。

半導体製造の肝となる工程となります。

それでは酸化膜が乗ったウェハを例に説明していきま

す。

まず、ウェハ上に「レジスト」という物質を塗布しま

す。レジストは紫外線等を浴びた部分を特殊な薬品に

つけると溶けてなくなる性質を持っています。

ウェハの上に「マスク」と呼ばれる穴が開いた平板を乗

せ、紫外線を照射します。（露光）

するとマスクの穴が開いた部分だけレジストが紫外線

を浴びることになります。

この状態のウェハを特殊な薬品につけることによって、

紫外線が当たったレジストだけが溶けてなくなります。

（現像）

酸化膜が一様になっているわけではない！





次にウェハにエッチングという工程を施します。これは

ウェハ上の酸化膜を排除する工程となります。

酸化膜の除去にはいくつか手法があり、プラズマによ

り物質を削り取ったり、薬品につけたりする方法があり

ます。

このとき、レジストが残っている部分は保護され、エッ

チングにより削り取られません。

最後にレジストを薬品によって除去すると、残したい酸

化膜だけが残るウェハの完成です。

これがリソグラフィです。

作りたい素子によって、リソグラフィと成膜を繰り返した

り、順番が前後したりする場合があります。

⑤ 不純物拡散

リンやホウ素等の不純物をウェハに拡散し、ｎ形半導

体およびｐ形半導体を作成します。

不純物半導体については 5章をご参照ください。

⑥ 電極作成

酸化膜や不純物半導体の上に電極を作成します。

電極にもパターンがあるので、リソグラフィ技術を用い

て所望の箇所に電極を作成します。

これで素子の完成となります。





9-2. 集積回路の概要

集積回路はその名の通り、ウェハ上に多くの素子を集積した部品です。集積回路上には主に「半導体」が乗せられ

ます。作成方法は基本的に半導体と同じです。

9-2-1. 集積回路の分類

集積回路がどれほどの素子を集積しているのかというと、約 20 個のものもあれば、PC 等の中に入っているような、

およそ 10 の７乗個以上もの素子が詰め込まれているものもあります。集積回路はその集積度合により下記のように

分類されております。

素子数名称

約 109個以上 GSI (Giga Scale 集積回路)

約 107個以上 ULSI (Ultra Scale 集積回路)

約 105個～107個 VLSI (Very Large Scale 集積回路)

約 103個～105個 LSI (Large Scale 集積回路)

約 102個～103個 MSI (Medium Scale 集積回路)

約 102個以下 SSI (Small Scale 集積回路)

9-2-2. 集積回路の素子

集積させる素子についてですが、集積するに向いているものと向いていないものがあります。まずダイオードやトラ

ンジスタなどの半導体は小型化が可能で、集積することができます。また、抵抗も半導体で実現することができ、集

積回路には採用されます。

反対に、コンデンサやコイルといったものはどうしても大きさが必要となり集積回路にするには難しいです。

以上で半導体の製造方法と集積回路のご紹介を終わります。

ウェハ





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2016年 2月 13日発行

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