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トランジスタとは

THEME 09 工場と産業 · 基礎概念Transistor
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トランジスタとは、小さな入力で大きな電流を操る半導体素子です。 働きは、入力の形をそのまま大きくする増幅と、電流を通したり止めたりするスイッチの2つで、同じ1個の素子が使う場所を変えて担います。

増幅とスイッチは、同じ坂の途中と両端を使い分けている

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トランジスタには、入力の大きさに応じて出力の通り道が広がったり狭まったりする性質があります。この関係をなだらかな坂として見れば、坂の途中を使うのが増幅で、入力が少し動けば出力も比例して動きます。坂の両端だけを使えば、全開か全閉かのスイッチになります。途中は素通りするだけで、意味を持つのは端の2つの状態です。

デジタル回路は0と1だけを使うので途中の値は不要で、スイッチの側だけを使います。CMOSがやっているのは、この「端だけを使う」動かし方を、電力消費を抑えた形へ組み上げることです。

構造は点接触型、接合型、MOSと3回入れ替わった

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1つ目は点接触型です。1947年12月16日に、BardeenとBrattainの研究が最初の半導体増幅器の成功に至りました1。構造は、高純度ゲルマニウムの小片の表面へ、プラスチックのくさびで保持した2本の近接した金の接点を当てたものでした。一方の接点の電圧が他方を流れる電流を変調し、入力信号を最大100倍まで増幅したとされています。この素子は電気技術者John Pierceが「トランジスタ」と名付け、ベル研究所は1948年6月30日にニューヨークの記者会見で公表しました。

2つ目は接合型で、着想は1948年です。1948年1月23日にShockleyが、点接触型とは明確に異なるトランジスタを着想しました2。p-n接合で隔てられたn型・p型半導体の3層サンドイッチで、これが今日のすべてのバイポーラ接合トランジスタの動作原理です。ただし、量産できる工程がベル研究所で確立されるまでには、さらに2年を要しました。

この一連の仕事に対して、1956年のノーベル物理学賞がShockley、Bardeen、Brattainの3名へ3、半導体の研究とトランジスタ効果の発見に対して共同で授与されました。受賞シェアは各3分の1です。

3つ目がMOS（1959〜1960年）です。Computer History MuseumはMOSトランジスタの実証4を1960年のマイルストーンに挙げています。ベル研究所のAtallaとKahngが、電界の半導体内部への侵入を妨げていた「表面準位」を克服し、最初の絶縁ゲート電界効果トランジスタを実現しました。MOSFETという名称は、金属（ゲート）・酸化膜（絶縁）・シリコン（半導体）という3層のサンドイッチ構造に由来します。

3つ生まれて、1つに収束した
点接触型　1947年12月16日ゲルマニウム2本の金の接点片方の電圧が、もう片方の電流を変える最大100倍まで増幅構造が繊細接合型　1948年1月23日に着想3層サンドイッチ今日のバイポーラの動作原理量産できるまで、さらに2年MOS　1960年のマイルストーン金属／酸化膜／シリコン名前がそのまま3層を指しているなぜMOSに収束したのかバイポーラより小型バイポーラより低消費電力今日のマイクロチップの99%超「小さくできる」ことが、最後の決め手になった
構造は3回入れ替わりました。最後に残ったのは、性能の突出よりも、小型で消費電力が低く、たくさん並べられたためです。

MOSが勝ったのは、たくさん並べられたから

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Computer History Museumは、MOSがバイポーラ素子より小型で消費電力が低いため、今日製造されるマイクロチップの99%超がMOSトランジスタを使っているとしています。重要だったのは、1個あたりの性能よりもたくさん並べられることです。1個の増幅率が高いことより、億単位で並べても電力と面積の余裕を保てることのほうが、集積回路にとっては重要でした。

並べたトランジスタを、電力消費を抑えた形で論理回路に組み上げる方法がCMOSです。素子の型が決まり、組み方が決まって、その先にムーアの法則の半世紀が続きました。

同じ素子の、2つの使い方
入力出力全閉全開坂の途中増幅 ── 坂の途中を使う入力が少し動けば、出力も比例して動く入力の形をそのまま大きくできる音や電波の信号を通す回路が使う領域スイッチ ── 両端だけを使う全開か全閉かの二値だけを使う0と1だけを使うデジタル回路はこちら端で止まっている限り、電力はごくわずかで済む
入力に応じて出力の通り道が切り替わる、という1本の坂があります。途中の傾きを使えば増幅になり、両端だけを使えばスイッチになります。デジタル回路は後者だけを使います。

関連するデータ・ツール

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よくある質問（FAQ）

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トランジスタとは何ですか？

小さな入力で大きな電流を操る半導体素子です。増幅とスイッチという2つの働きを持ち、どちらも「入力で出力の通り道を加減する」という同じ動作の使い分けです。

いつ発明されたのですか？

1947年12月16日に、BardeenとBrattainの研究が最初の半導体増幅器の成功に至りました。

最初のトランジスタはどんな構造でしたか？

高純度ゲルマニウムの小片の表面へ、プラスチックのくさびで保持した2本の近接した金の接点を当てたものでした。一方の接点の電圧が他方を流れる電流を変調し、入力信号を最大100倍まで増幅したとされています。

名前の由来は何ですか？

電気技術者John Pierceが「トランジスタ」と名付け、ベル研究所が1948年6月30日にニューヨークの記者会見で公表しました。

ノーベル賞は誰が受けたのですか？

1956年のノーベル物理学賞が、William Bradford Shockley、John Bardeen、Walter Houser Brattainの3名へ、半導体の研究とトランジスタ効果の発見に対して共同で授与されました。受賞シェアは各3分の1です。

今のトランジスタも同じものですか？

型が変わりました。MOSはバイポーラ素子より小型で消費電力が低いため、今日製造されるマイクロチップの99%超がMOSトランジスタを使っています。

MOSという名前は何を指しますか？

積み重ねた3層です。MOSFETという名称は、金属（ゲート）、酸化膜（絶縁）、シリコン（半導体）という3層のサンドイッチ構造に由来します。

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