シリコンウェーハーの役割

質問

半導体は電圧によって電気を流す流さないの性質があることを知りました。
たとえば電球と電池と半導体をひとつの配線上に設置し半導体に電気を
流す事でスイッチの役割をさせる事が出来るということですね。
質問なのですが、もし、スイッチの役割をさせるのならば半導体は配線上に
設置する必要があると思うのですが、ICチップというのは
半導体（シリコンウェーハー）の上に配線を行うようです。
半導体上に配線をするのならば半導体上の回路は全部同じタイミングで
電流が流れる。もしくは流れなくなるという事を意味するのだと思います。
つまり、ICチップというのは複数の回路のスイッチを同時にONもしくは
OFFにするメインスイッチの事ではないかと想像しております。
この解釈に間違いないか教えていただけませんでしょうか。
御教授のほどよろしくお願いします。

回答No.6

Interest

> プラスチックを基盤としてトランジスタを配置するより、化学的に似たような
> ものを形成するほうが容易だからシリコンをベースにしている。
> このような理由を思いつきましたがあってますでしょうか。

そうではありません。
純度の高いシリコンに不純物を混ぜてN型、P型を作っているから、シリコンをベースにしているのです。

ご存知のとおり、半導体の回路パターンは印刷技術でできています。
このサイトのにある「初心者のための半導体入門」の、P24～33あたりがわかりやすいかと思います。
http://www.screen.co.jp/eed/lsi/eed_lsi.html
　　画面左のメニューから「半導体入門」を選択

印刷技術で回路パターンをシリコン上に転写して、不純物でエッチングすることにより、必要な部分にN型、P型の半導体を作っています。だから、ベースがシリコンなのです。

お礼

すみません。表現が間違っておりました。
プラスチックなど、電気を通さない基盤の上にN型・P型の半導体を載せたものを小型化
するより、シリコン基盤の一部を半導体に変えていくほうが集積をさせるには技術的に容易だからという意味でした。
アホな私は、シリコンより安い素材で基盤をつくり、それをエッチングし、
そこに半導体にしたシリコンを注入するという方法は思いつきそうですが、
シリコン基盤の一部を半導体に変えるという発想が思いつきそうに無くすごく斬新でした。

回答No.5

inara

cave1さんは、ICチップ上の素子が全部、Siウェハを通じて電気的につながっていると誤解されているのでしょうか？

Siウェハ自身は導電性がありますが、その上に作られた素子は、お互い、電気的に絶縁されています。ランドだけがあるユニバーサル基板上に素子が置いてあるのと同じ状態ですので、素子間を配線でつないでやらないと回路になりません。

参考URLの図２に、p型 Si ウェハ上に作られた２種類のトランジスタ(npnとpnpトランジスタ）の構造が出ています。Nと書かれた台形状の部分の内側がそれぞれのトランジスタになりますが、この台形はウェハ上に浮かんだ島のようななっていて、基板とも、隣合う素子とも絶縁されています。なぜなら、電流はｐ型からｎ型の方向にしか流れないので、島のｎ型から基板（ｐ型）には電流が流れず、また、隣接する素子との間もｐ型になっているので電流が流れません。

最近ではSOI（Silicon On Insulator）基板という、Ｓｉ基板の表面近くに絶縁膜のSiO2層が埋め込まれている基板を使っているＩＣもあります。この場合、SiO2層の上のSi層に素子が作られますが、絶縁膜の上に作られているので、素子間を完全に絶縁することができます（上の例のようなｐｎ接合で絶縁すると、わずかですが漏れ電流が流れてします）。

参考URL：

http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0002/dwm000200700.pdf

お礼

目から鱗です。P型のウェーハーの上ではNPNしかないと思ってました。
ウェーハーの上にPNPやNPNのトランジスタが存在していて最下層部は
絶縁体として、また基盤としての役割をしているということですね。
プラスチックを基盤としてトランジスタを配置するより、化学的に似たような
ものを形成するほうが容易だからシリコンをベースにしている。
このような理由を思いつきましたがあってますでしょうか。
SOIというのは基盤にSiを利用しなくてもいいけど何らかのメリットがあるので
Siを利用しているという感じでしょうか。
なんだか自分ではすごく理解できてきたような気がするのですが、これが
誤解でなければ良いなと思っています。

回答No.4

sekisei

電子立国日本の自叙伝などを見られると凄く判りやすいです。
図書館とかにビデオがあれば見られるとよいでしょう。
本もあるかもしれません。

ICは基本的に電子回路が組まれています。
アルミ配線などでさまざまな回路が作られています。
（今のCPUは銅配線）
つまりシリコン上といっても普通の電子回路が配線されていると思われて構いません。

お礼

図書館で色々と本を探したのですが田舎であるせいかあんまり無くて・・・。
週末に大きな本屋がある街に行ってみようと思います。
　電子回路とは極同士が接せずともその間を電子が飛んで電気が流れたり
流れなかったりすることで繋がれる回路だと思っているのですが、それで
あればシリコンでなくプラスチックの上に小さな半導体を乗せればいいのに
と考えてしまいました。シリコンをベースに回路を組むことがなにか
すごく大きなメリットがあるような気がしてなりませんがそれが
何なのか見いだせなくています。

回答No.3

outerlimit

半導体そのものと
半導体素子、n型半導体,p型半導体を混同しているからです

それと回路に関する知識が観念的過ぎます

お礼

おっしゃるとおり混同しているでしょうし観念的過ぎるかも知れません。
勤める会社の事業として、半導体を製造する装置を製造するための
装置の部品（メカ）を作る装置の部品を作っていて、直接半導体との
関連がないのですが、半導体関連産業ということで半導体についての
勉強をしています。今後も勉強を続けていきたいと思っておりますので
御指導のほど、宜しくお願いいたします。

回答No.2

Interest

> 半導体上に配線をするのならば半導体上の回路は全部同じタイミングで
> 電流が流れる。もしくは流れなくなるという事を意味するのだと思います。

誤解です。同じタイミングにはなりません。
キーワードは、「論理回路」と「基本素子」ですので、検索してみてください。検索してヒットしたものが分かるようになるための基礎的な説明をします。

まず半導体。純粋なシリコン（単結晶シリコン）そのものは常温ではほぼ絶縁体なのですが、シリコンに不純物を混ぜると常温でも電流が流れる半導体ができます。混ぜる不純物の種類によって、出来る半導体の性質が違ってきます。例えば、ボロンやアルミを混ぜると正孔（電子が抜けた穴）が多いP型半導体が、リンを混ぜると自由電子が多いN型半導体ができます。

N型半導体とP型半導体を接合すると、電圧をかけても一定方向にしか電流を流さない素子（ダイオード）ができます。さらに、PNP、NPNのようにサンドイッチ状に異なる型の半導体を並べてそれぞれから足を出すとトランジスタができ、スイッチとして使うことが出来ます。

以上の知識を前提に、下記のリンク先の説明を見ていただくと、ICに使われている電界効果トランジスタ（FET)がどのようにスイッチとして働くのか分かるかと思います。
http://www.interq.or.jp/japan/se-inoue/ckt30_6.htm

リンク先には最初にNチャンネルFETとPチャンネルFETがでてきますが、この二つを組み合わせて、論理演算を電気的に行う基本素子を作ります。論理演算を行う回路を論理回路といいます。論理演算、というのは、
「Aでない」を意味する「論理否定（NOT)」
「AかつB」を意味する「論理積（AND)」
「AまたはB」を意味する「論理和（OR)」
という演算で、たったこれだけで加算、減算からデータの記憶や移動まで出来てしまいます。パソコンのCPUなどは、これをはるかに複雑にした構造で出来ています。

・・・とデジタルなICについては上記のとおりですが、ICはメモリやCPUなどのデジタルなICだけでなく、モータドライバやOPアンプなど電流を相手にするアナログなICもあることを補足しておきます。

お礼

難しいですね。
NチャネルMOS FETの場合

(1)ゲートに電圧がかからない状態ではウェーハー（不純物がなくPチャンネル）は
　絶縁体として働いている。
　↓
(2)ゲートに＋極の電圧をかける
　↓
(3)ドレイン側のNチャンネル内の自由電子が絶縁体近くに集合（ゲートとは通電しない）
　↓
(4)ソース側のNチャンネル内の自由電子が絶縁体近くに集合（ゲートとは通電しない）
　↓
(5)ゲート近くのドレイン側・ソース側のNチャンネル内の自由電子がゲート近くの
　ウェーハー（不純物がなくPチャンネル）に移動し、ウェーハー（Pチャンネル）のホールが
　Nチャンネルに移動する
　↓
(6)電子・ホールが移動する。すなわち電気が流れる。

ここまではこのような理解で宜しいでしょうか。

個々までの認識に誤りがないことを確認してまた質問させてください。
宜しくお願いいたします。

回答No.1

saru_1234

> ICチップというのは複数の回路のスイッチを同時にONもしくは
> OFFにするメインスイッチの事ではないかと

違います。もともとのウェハは高純度のシリコンなどの均一な半導体ですが、
アルミや銅の導体や絶縁膜を張ったり不要部分を取り除いたり
重ねたりして複雑な回路を構成します。
絶縁材により分離された多数のスイッチが作りこまれるわけで,
独立してON/OFF制御します。
全部が同時にではなく、回路設計に応じたパターンで変化します。

お礼

>絶縁材により分離された多数のスイッチが作りこまれるわけで,
>独立してON/OFF制御します。

ウェーハー自体はPチャンネルかNチャンネルかの必ず一方であると理解しております。
一つのチップ上でNPNとPNPが混在することは無いと理解しております。
ではどうやって独立してon/offさせるか、「多数のスイッチがあるように多数のゲートが
あるのでそのゲートに電圧をかけるかかけないかを別の回路で制御しているから」
つまり、「PNPの回路に電気が流れるか流れないかは、PNPの回路の前段階に
NPNの回路を設置しPNPのゲートに電気を流す流さないを制御させているから」
これによりPNPの構成を持ったウェーハー上の回路でもonとoffを混在させることが
出来ますね。
またNPNとPNPは１つのウェーハー（チップ）上に存在することはないと解釈してます。
このような理解でよろしいでしょうか。
今後ともご教授の程宜しくお願いいたします。