「高等学校物理/物理II/電気と磁気」の版間の差分

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→‎半導体: 注釈として、パソコンなどのハードウェアがシリコン半導体であるという、教育理由の背景事情を追記。
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このように一方向に流れる仕組みは、ダイオードでは、つぎのような仕組みで、電流が流れるからである。
 
 
(※ たぶん範囲外 :)このように一方向にだけ電流を流すことを'''整流'''(せいりゅう)という。なお、半導体を使わなくても、真空管でも整流だけなら可能である。(ただし真空管の場合、熱の発生が膨大であったり、耐久性が劣るので、電子部品としての実用性は、空管は低いので、現代は真空管は電子部品としては使われていない。)
 
 
 
パソコンで、デジタル波形やデジタル信号のように四角の電流波形を作っている方法は、おおむね、このダイオードと、後述するトランジスタとを、うまく組み合わせることで、デジタル波形をつくるという仕組みである。(※ 数研出版の検定教科書も、そういう見解である。)
 
 
 
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=== トランジスタ ===
[[ファイル:Transistor description ja.svg|right|frame|NPN型トランジスタの模式図(バイポーラトランジスタ)]]
 
:(※ 検定教科書はまだ未確認)
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半導体を3つnpnまたはpnpのように組み合わせると、電流を増幅(ぞうふく)することができる。'''増幅作用'''(ぞうふくさよう)という
 
NPNとは、片端から順に見てN型・P型・N型の順に並んでるという事である。
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説明の簡略化のため、外部電源が省略される事があるが、実際は外部電源も必要である。半導体素子は小さな電流しか流せないので、電流を減らすための抵抗素子としての保護抵抗(ほごていこう)も必要である。
 
 
 
 
なお、図のように長方形状に並んでいる方式のトランジスタを'''バイポーラトランジスタ'''という。(※ 検定教科書の数研出版の教科書で、「バイポーラトランジスタ」をコラムで習う。)
 
バイポーラトランジスタには、端子が主に3つあり、「エミッタ」や「ベース」や「コレクタ」という合計3つの端子がある。
 
 
バイポーラトランジスタでの電流の増幅とは、ベース電流を増幅してコレクタに集めるである(PNPの場合)。電流の向きはPNP型のばあいと NPP型のばあいとでは異なるが、どちらの場合でもベース電流が増幅されるという仕組みは共通である。
 
 
さて、模式図では模式的に真ん中の半導体はうすめ、小さめに書かれるが、実際のトランジスタは真ん中の半導体はそうではないので、参考程度に。
 
 
 
 
教育では、半導体の高校生や専門外(電子専攻以外)の人むけには、よくバイポーラトランジスタが単純なので紹介されるが、実際に市販のコンピュータ部品などでよく使われるトランジスタの方式は、これとは形状がけっこう異なる。
 
 
市販のコンピュータ部品のトランジスタには、電界効果トランジスタといわれる方式のものが、よく用いられる。(もちろん、電界効果トランジスタにも、「増幅」の機能がある。)
 
:(※ 啓林館の検定教科書で、「電界効果トランジスタ」がコラム欄で紹介されている。)
 
 
 
 
 
:※ 電界効果型の場合は、「ソース」や「ゲート」や「ドレイン」などの端子がある。原理は異なるので、対応はしない。
 
 
 
(※ 詳しくは大学の電気工学または工業高校の電子回路などの科目で習う。)
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集積回路やLSI(Large Scale Integrated、大規模集積回路)などと言われる組織も、なにを集積(「集積」を英語で integrate インテグレート という)したのかというと、半導体素子を集積したと言う意味である。
 
なお、「IC」(アイシー)とは Integrated Circuit の略称であり、これを和訳したものが「集積回路」である。
 
つまり、集積回路やLSIの中身は、半導体であり、トランジスタなどの素子が高密度で、その回路中に詰まっている。
 
 
電子部品の半導体の材料としては、通常はシリコン結晶が使われる。(※ 啓林館、数研など、結晶であることも言及。)
 
研究開発ではシリコン以外の材料も研究されており一部の特殊用途ではGaAsやInGaPなどが利用されているが(※ 数研の検定教科書はGaAsやInGaPなどにコラムで言及)、しかし現状では、シリコンが市販のコンピュータ部品中の半導体素子の材料では主流である。
 
なお、シリコン半導体の材料内部はシリコン結晶であるが、表面は保護膜および絶縁のために酸化させられており、シリコン半導体表面は酸化シリコンの保護膜になっている。シリコンが酸化すると、絶縁物になるので、保護膜になるわけである(※ 数研出版の教科書もそう言っている。)
 
 
半導体の内部に、添加物などで特定を変えることにより、抵抗やコンデンサも半導体内部に製造できる。(※ 数研が、抵抗やコンデンサも半導体内部で作っている事に言及。)
 
(※ 範囲外: )しかし、コイルは半導体内部に作ることが出来無い。