「量子力学」の版間の差分
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超伝導ジョセフソン素子については、使用回数の制限などの現象は、特に知られてない。 |
トンネルダイオードは現在において実用性がフラッシュメモリよりも少なく、そのため、紹介を後回し。 |
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図のように、絶縁体物の中でも、電子の存在確率は、けっして急にはゼロにならず、少しずつ存在確率が減少していくので、もし、絶縁体の厚さが極端に薄ければ（数ナノメートル以下の程度なら）、電子の存在確率（つまり電流の存在確率）が高いうちに向こう側の導体に達するので、電流が絶縁体障壁を通り抜けることができる。
なお科学史において、ジョセフソン効果を発見した人物は文字通りジョセフソン氏であるが、トンネル効果を発見・提唱した人物は半導体物理学者の江崎絵尾奈（えざき れおな、※ 男性）である。1973年、江崎とジョセフソン（人名）がノーベル物理学賞を同時受賞した。
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=== フラッシュメモリ
いわゆる「フラッシュメモリ」やSSDと呼ばれるメモリには、回路中に絶縁体が使われており、電荷を蓄えることのできるメモリ部分に絶縁体を介して高電圧を掛けることにより、オン/オフを切り替えることにより、データを記録できる仕組みになっている。▼
トンネル効果を提唱した物理学者の江崎玲於奈が、シリコン半導体やゲルマニウム半導体などの研究をもとにトンネル効果を提唱し、江崎はノーベル賞を受賞したので、よく、シリコン半導体などのトランジスタなどが「トンネル効果」の例、上げられることが多い。▼
回路中の記録部分は、絶縁体によって、導電部からは絶縁されてるので、「浮遊ゲート」と呼ばれる。▼
このフラッシュメモリの現象が、絶縁体を介しても、電荷を蓄えさせることのできる現象であるため、トンネル効果の実例だと考える学者もいる。▼
ただし、もしかしたら、上記の仮説への反論のような意見として「トンネル効果でなく、単に絶縁体膜に高電圧で穴をあけて、電子が貫通して移動しているだけだ」と考えることも出来るかもしれない。▼
しかし、そもそも、一般によく用いられているダイオード素子やトランジスタ素子の電流の流れる部分は、けっして絶縁体では、さえぎられていない。▼
江崎らの開発したトンネルダイオードは、そもそも、ドーパント濃度の極端に高いダイオードのことである。このトンネルダイオードでは、電圧を大きくするほど逆に電流が減少するという「負性抵抗」という現象があらわれる。▼
フラッシュメモリは1980年代に日本人の研究者によって発明された、比較的に新しいメモリであり、さらに普及した時期は遅れて、西暦2000年ころから普及した、新しい原理のメモリである。そのため、DRAMヤハードディスクなどの伝統的なメモリや記録デバイスと比べ、フラッシュメモリの解説を本格的にあつかった教科書や文献なども不足している状況である。（大学レベルの教養課程の段階では、読者は、フラッシュメモリがトンネル効果か否かは、深入りしないほうが安全だろう。）▼
江崎は、このような実験事実を解釈するため、トンネル効果を提唱した。▼
なお工業などへの実用例として、トンネル効果を発見した物理学者の江崎玲於奈が開発した「トンネルダイオード」は、高周波の発振・増幅などに活用される。▼
なお、実用化されているフラッシュメモリには、書き換え可能な回数に限界がある。▼
もし、フラッシュメモリの原理がトンネル効果だとしたら、「なぜトンネル効果なのに、書き換え回数の限界が生じるのか？」など、疑問があるだろうし、▼
読者などは「はたして本当に、ジョセフソン効果と、『トンネルダイオード』の負性抵抗が、同じ法則・原理にもとづく現象か？」という疑問を感じるかもしれないが、しかし、現状の物理学では、これら2つの現象はともに同じ トンネル効果 という法則にもとづく現象である、という学説が定説になっている。▼
いっぽう、単に絶縁体膜に穴をあけて貫通するだけなら、「なぜ、穴のあいだ絶縁体膜で保護された浮遊ゲートによって、電子を保持できるのか？ 穴から電荷が漏れ出してしまわないか？」などの疑問があるだろうが、▼
しかし、あまり理論的に解明されていない。▼
さて、話は変わるが、世間一般では、シリコン半導体の特性を、なんでもかんでも、トンネル効果で説明しようという風潮が、一部にある。しかし、一般のシリコン半導体については、高 校 で 習うように、シリコン半導体の導電率は、導体と絶縁体の半分くらいのケタの導電率であるので、けっしてシリコン半導体は絶縁体ではない。ゲルマニウムでも同様、そもそも、ゲルマニウムは絶縁体ではない。▼
なお、超伝導ジョセフソン素子については、使用回数の制限などの現象は、特に知られてない。▼
ダイオードの順方向どころか、逆バイアス方向ですら、順方向電流の大きさと比較すれば微量ながら実は「逆バイアス電流」というのが逆バイアス方向にもあることが、半導体研究の比較的に初期のころから知られている。▼
もし、超伝導ジョセフソン効果と、フラッシュメモリのデータ記録が、両方とも同じトンネル効果の現象だとしたら、なぜ片方にだけ使用回数の制限が生じるか、疑問はつきない。しかし、専門書などを読んでも、特に言及はされていない。▼
高校では、「ダイオードでは逆方向には電流は流れない」としているが、じつは、それは不正確であり、正確には、「逆方向に電圧印加した場合に流れる電流の大きさは、順方向に流した場合の大きさに対して、とても小さい」というのが、より正確である。▼
このように、実は、逆バイアスにダイオードを利用した場合ですら、けっして、逆バイアス部分は絶縁体ではないのである。▼
またなお、世間でよく、これらの産業の業界が「半導体」業界といわれるが、実際のフラッシュメモリの導電率がはたして半分かどうかは、あまり定かではない。▼
単に、本来なら「エレクトロニクス業界」などと言うべきところを、文字数の省略のために「半導体業界」と呼称しているだけだと思われるので、あまり、字面を鵜呑みにしないほうが良い。▼
トランジスタについては、一般的なnpnトランジスタやpnpトランジスタの真ん中の部分も（たとえばnpnトランジスタの真ん中のp部分）も、そもそも、けっして絶縁体ではなく、導電率が半分くらいである。▼
ダイオードのまんなかの部分（たとえばnpnトランジスタの真ん中のp部分）の厚さは、両隣りの部分と比べると厚さがうすいので、てっきり「絶縁体をトンネルしている」と誤解しがちだが、けっして絶縁体ではない。▼
▲トンネル効果を提唱した物理学者の江崎玲於奈が、シリコン半導体やゲルマニウム半導体などの研究をもとにトンネル効果を提唱し、江崎はノーベル賞を受賞したので、よく、シリコン半導体などのトランジスタなどが「トンネル効果」の例、上げられることが多い。
▲しかし、そもそも、一般によく用いられているダイオード素子やトランジスタ素子の電流の流れる部分は、けっして絶縁体では、さえぎられていない。
また、現代の電子部品に多く見られるタイプの電子部品では、波動関数の概念は意識的には用いられておらず、また、波動関数の存在の有無も、商用のダイオードやトランジスタからは、特に確認されてない。▼
[[ファイル:Heterojunction types.png|alt=ヘテロ接合の種類|thumb|300x300px|[[ヘテロ接合 (半導体)|ヘテロ接合]]における三種類のバンドアラインメント。図中右が type-III である。]]
また、回路における、整流や、スイッチング作用などの現象は、中 学 校 で習うように、陰極真空管の時代から知られている現象であり、けっしてシリコン半導体に特有の現象ではない。世界初の電気式コンピュータのENIAC（エニアック）も真空管をデバイスとして作られているので、コンピュータの存在すると言う事実だけを根拠として「半導体のトンネル効果の証明だ」などと主張する理屈には、無理があろう。▼
2018年の現代、半導体物理でいう「トンネル効果」とは、バンドギャップ図上において、右図の3つめ（一番右）の図のように、バンドギャップ図の禁制帯の左右幅が極端に狭くなる領域について、価電子帯と伝導帯が極端に接近しているので、電子が価電子帯から伝導体に「トンネル」するので電流を流せると表現したものである。
▲=== フラッシュメモリはトンネル効果か ===
▲いわゆる「フラッシュメモリ」やSSDと呼ばれるメモリには、回路中に絶縁体が使われており、電荷を蓄えることのできるメモリ部分に絶縁体を介して高電圧を掛けることにより、オン/オフを切り替えることにより、データを記録できる仕組みになっている。
▲回路中の記録部分は、絶縁体によって、導電部からは絶縁されてるので、「浮遊ゲート」と呼ばれる。
[[ファイル:Negative differential resistance.svg|thumb|325x325px|トンネルダイオードの大まかなVI曲線。負性抵抗領域を示している。]]
▲このフラッシュメモリの現象が、絶縁体を介しても、電荷を蓄えさせることのできる現象であるため、トンネル効果の実例だと考える学者もいる。
▲江崎らの開発したトンネルダイオードは、そもそも、ドーパント濃度の極端に高いダイオードのことである。このトンネルダイオードでは、電圧を大きくするほど逆に電流が減少するという「負性抵抗」という現象があらわれる。
▲江崎は、このような実験事実を解釈するため、トンネル効果を提唱した。
▲ただし、もしかしたら、上記の仮説への反論のような意見として「トンネル効果でなく、単に絶縁体膜に高電圧で穴をあけて、電子が貫通して移動しているだけだ」と考えることも出来るかもしれない。
▲なお工業などへの実用例として、トンネル効果を発見した物理学者の江崎玲於奈が開発した「トンネルダイオード」は、高周波の発振・増幅などに活用される。
▲フラッシュメモリは1980年代に日本人の研究者によって発明された、比較的に新しいメモリであり、さらに普及した時期は遅れて、西暦2000年ころから普及した、新しい原理のメモリである。そのため、DRAMヤハードディスクなどの伝統的なメモリや記録デバイスと比べ、フラッシュメモリの解説を本格的にあつかった教科書や文献なども不足している状況である。（大学レベルの教養課程の段階では、読者は、フラッシュメモリがトンネル効果か否かは、深入りしないほうが安全だろう。）
▲読者などは「はたして本当に、ジョセフソン効果と、『トンネルダイオード』の負性抵抗が、同じ法則・原理にもとづく現象か？」という疑問を感じるかもしれないが、しかし、現状の物理学では、これら2つの現象はともに同じ トンネル効果 という法則にもとづく現象である、という学説が定説になっている。
▲なお、実用化されているフラッシュメモリには、書き換え可能な回数に限界がある。
▲さて、話は変わるが、世間一般では、シリコン半導体の特性を、なんでもかんでも、量子力学やトンネル効果で説明しようという風潮が、一部にある。しかし「トンネル効果」かどうかでいえば、一般のシリコン半導体については、高 校 で 習うように、シリコン半導体の導電率は、導体と絶縁体の半分くらいのケタの導電率であるので、けっしてシリコン半導体は絶縁体ではない。ゲルマニウムでも同様、そもそも、ゲルマニウムは絶縁体ではない。
▲もし、フラッシュメモリの原理がトンネル効果だとしたら、「なぜトンネル効果なのに、書き換え回数の限界が生じるのか？」など、疑問があるだろうし、
▲いっぽう、単に絶縁体膜に穴をあけて貫通するだけなら、「なぜ、穴のあいだ絶縁体膜で保護された浮遊ゲートによって、電子を保持できるのか？ 穴から電荷が漏れ出してしまわないか？」などの疑問があるだろうが、
▲ダイオードの順方向どころか、逆バイアス方向ですら、順方向電流の大きさと比較すれば微量ながら実は「逆バイアス電流」というのが逆バイアス方向にもあることが、半導体研究の比較的に初期のころから知られている。
▲しかし、あまり理論的に解明されていない。
▲高校では、「ダイオードでは逆方向には電流は流れない」としているが、じつは、それは不正確であり、正確には、「逆方向に電圧印加した場合に流れる電流の大きさは、順方向に流した場合の大きさに対して、とても小さい」というのが、より正確である。
▲このように、実は、逆バイアスにダイオードを利用した場合ですら、けっして、逆バイアス部分は絶縁体ではないのである。
▲なお、超伝導ジョセフソン素子については、使用回数の制限などの現象は、特に知られてない。
▲もし、超伝導ジョセフソン効果と、フラッシュメモリのデータ記録が、両方とも同じトンネル効果の現象だとしたら、なぜ片方にだけ使用回数の制限が生じるか、疑問はつきない。しかし、専門書などを読んでも、特に言及はされていない。
▲トランジスタについては、一般的なnpnトランジスタやpnpトランジスタの真ん中の部分も（たとえばnpnトランジスタの真ん中のp部分）も、そもそも、けっして絶縁体ではなく、導電率が半分くらいである。
▲ダイオードのまんなかの部分（たとえばnpnトランジスタの真ん中のp部分）の厚さは、両隣りの部分と比べると厚さがうすいので、てっきり「絶縁体をトンネルしている」と誤解しがちだが、けっして絶縁体ではない。
▲またなお、世間でよく、これらの産業の業界が「半導体」業界といわれるが、実際のフラッシュメモリの導電率がはたして半分かどうかは、あまり定かではない。
▲単に、本来なら「エレクトロニクス業界」などと言うべきところを、文字数の省略のために「半導体業界」と呼称しているだけだと思われるので、あまり、字面を鵜呑みにしないほうが良い。
▲また、現代の電子部品に多く見られるタイプの電子部品では、波動関数の概念は意識的には用いられておらず、また、波動関数の存在の有無も、商用のダイオードやトランジスタからは、特に確認されてない。
▲また、半導体製品が量子力学の応用かどうかについては、電子回路における、整流や、スイッチング作用などの現象は、中 学 校 で習うように、陰極真空管の時代から知られている現象であり、けっしてシリコン半導体に特有の現象ではない。世界初の電気式コンピュータのENIAC（エニアック）も真空管をデバイスとして作られているので、コンピュータの存在すると言う事実だけを根拠として「半導体のトンネル効果の証明だ」などと主張する理屈には、無理があろう。
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