第1部1章 石が電気を操り始める
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第1部 石が電気を操り始める
#https://note.com/atom_/m/md08c7fdafe05
#硫化銀、鉱石検波器、交流と直流、そして「整流」という最初の半導体機能
#現代の半導体は、何百億ものトランジスタを一枚のシリコン上へ集積し、計算、記憶、通信を担っている。
#しかし、その歴史はコンピューターから始まったわけではない。
#最初に人類が見つけたのは、ある種の鉱物が金属とは異なる方法で電気を流すという、奇妙な現象だった。温度を上げると電気を通しやすくなり、金属針を接触させると、一方向には流れやすく、反対方向には流れにくくなる。
#十九世紀の研究者は、まだ電子も正孔も、エネルギーバンドも知らなかった。それでも、
#- 電気の流れやすさを変えられる
- 電流の向きを選べる
- 高周波の電気から情報を取り出せる
という、半導体の基本能力はすでに姿を現していた。
#この部では、1833年のファラデーによる硫化銀の観察と、1874年のフェルディナント・ブラウンによる鉱石接点の整流作用をたどりながら、交流と直流、閉回路、整流、脈動直流、平滑化、そして鉱石検波器の仕組みを解説する。
##
1．電流とは何が流れているのか
#電流とは、ある場所を電荷がどれだけの速さで通過したかを表す量である。
#ここで、
#- (I)：電流
- (Q)：通過した電荷
- (t)：時間
を表す。
#金属の導線では、主に自由電子が移動する。ただし、回路図で使う「電流の向き」は、電子が実際に移動する向きとは反対に定義されている。
#慣用電流 ＋ → －
電子移動 － → ＋これは、電子が発見される以前に、正の電荷が流れる方向を電流の向きとして定めた歴史的事情による。
#半導体では、電子だけでなく、電子が抜けた空席である正孔も、正の電荷を運ぶ粒子のように振る舞う。後のp型半導体では主に正孔が、n型半導体では主に電子が電流を担う。
#
#
2．電流を流すには閉じた経路が必要である
#電池、抵抗、導線を使って電流を流すには、電荷が戻ってこられる経路が必要になる。
#電池＋ → 抵抗 → 導線 → 電池－
↑ ↓
└──── 電池内部を通って戻る ────┘途中で導線を切れば、電圧が存在していても定常的な電流は流れない。
#電池＋ → 抵抗 → × 開放これを開回路という。反対に、一周できる経路がある状態を閉回路という。
#半導体は、この閉回路という条件を不要にするものではない。ダイオードやトランジスタも、閉じた経路の中で電流を制御する部品である。
#ダイオードを順方向に接続すると、閉回路を通って電流が流れる。
#電源＋ → ダイオード → 負荷 → 電源－逆向きにすると、配線自体はつながっていても、ダイオードが大きな抵抗のように振る舞うため、ほとんど電流が流れない。
#電源＋ → 逆向きダイオード → ほぼ遮断つまりダイオードは、
#回路を閉じなくても電流を流せる部品#
ではなく、
#閉じた回路の中で、どちら向きの電圧なら電流を通すかを選ぶ部品#
である。
#
#
3．電荷は途中で消えない――キルヒホッフの電流則
#閉回路を理解するうえで重要なのが、電荷保存則である。
#回路の接続点へ流れ込む電流の合計は、流れ出す電流の合計と一致する。
#これがキルヒホッフの電流則である。
# 2 A
↓
1 A → 接続点 → 3 Aこの例では、流入する電流は合計3 A、流出する電流も3 Aである。
#ダイオードや鉱石検波器を入れても、この条件は変わらない。半導体の内部で電子や正孔が移動しても、電荷が無から生まれたり、突然消えたりするわけではない。ダイオードによって変わるのは、電荷保存則ではなく、加えた電圧に対してどれだけ電流が流れるかという関係である。キルヒホッフの接点則は、電流が電荷の流れであり、電荷が保存されることに基づいている。(OpenStax)
#
#
4．直流とは何か
#直流、Direct Current、略してDCとは、一般には電流の向きや電圧の極性が反転しない電気を指す。
#電池から抵抗へ流れる電流が代表例である。
#電圧
↑
│ ─────────────────
│
0└─────────────────→ 時間理想的な直流は、時間が経過しても大きさが変わらない。
#ただし、電子回路では「直流」という言葉が、二つの意味で使われる。
#狭い意味の直流
#時間によって値が変化しない。
#広い意味の直流
#大きさは変化しても、極性や電流方向が反転しない。
# ／＼ ／＼ ／＼
──／──＼──／──＼──／──＼──後者は、正確には脈流または脈動直流と呼ばれる。
#したがって、
#直流には周期性がない#
とは限らない。
#一定の直流には周期性がないが、脈動直流には周期性がある。さらに、一定の直流へ小さな交流成分が重なった場合も、周期的な変動が生じる。
#これは5 Vの直流へ、振幅0.2 Vの交流成分が重なった状態である。
#
#
5．交流とは何か
#交流、Alternating Current、略してACとは、電圧の極性や電流の向きが周期的に反転する電気である。
#代表的な正弦波交流は、次のように表される。
#電圧
↑ ／＼ ／＼
│ ／ ＼ ／ ＼
0├─────／────＼────／────＼──→ 時間
│ ／ ＼／
│波形がゼロより上にある間は一方向へ、ゼロより下にある間は反対方向へ電流が流れる。
#ただし、交流は必ず正弦波である必要はない。
#- 方形波
- 三角波
- パルス波
- 高周波の無線信号
のように、電圧や電流の向きが時間とともに変化するものも交流として扱われる。
#家庭のコンセントでは、日本の地域により50 Hzまたは60 Hzの交流が使われている。50 Hzなら、1秒間に50周期変化する。
##
交流でも閉回路は必要である
#交流では、電子が一方向へ回路を周回し続けるというより、導線内で前後に揺れ動く。
#しかし、交流だから閉回路が不要になるわけではない。
#正の半周期
電源 → 負荷 → 電源
負の半周期
電源 ← 負荷 ← 電源どちらの半周期でも、瞬間ごとに電流が流れるための経路が存在する。
#コンデンサーが入った回路では、電子が絶縁膜を直接通り抜けなくても、一方の電極へ電荷が集まり、反対側の電極から同量の電荷が押し出される。そのため、交流的には電流が流れているものとして扱える。
#無線回路では、目に見える一本の導線だけで完全な輪が作られていない場合でも、
#- アース
- 対向導体
- アンテナと地面の間の容量
- 回路間の寄生容量
- 時間変化する電界
が戻り経路の一部となる。
#電荷保存が破られるわけではなく、導線電流だけでなく、電界の時間変化も含めて回路が成立している。
#
#
6．1833年――ファラデーが見た金属と逆の性質
#1833年、マイケル・ファラデーは硫化銀の電気伝導を調べていた。
#金属では一般に、温度が上がると原子の振動が激しくなり、電子の移動が妨げられるため、抵抗が増える。
#ところが硫化銀では、温度を上げるほど電気を通しやすくなった。
#金属
温度上昇
↓
電子の移動が妨げられる
↓
抵抗が増える
硫化銀
温度上昇
↓
電流を運べるキャリアが増える
↓
抵抗が下がるファラデーは、この「加熱すると伝導能力が増す」という金属と反対の性質を記録した。現在では、半導体の温度特性を示した初期の観察として位置づけられている。(CHM)
#歌詞の、
#1833 ファラデーが見た硫化銀 熱で電気が流れ出す 金属と逆の不思議#
という一節は、この現象を表している。
#ファラデーが現代的な半導体理論を作ったわけではない。当時は電子もバンドギャップも知られていなかった。
#それでもこの発見は、物質を単純に、
#- 電気を通す物質
- 電気を通さない物質
の二種類だけには分けられないことを示していた。
#半導体の本質は、導体と絶縁体の中間に固定されていることではない。
#熱、光、不純物、電界などによって、電気の流れやすさを大きく変えられる#
ことにある。
#
#
7．1874年――ブラウンが見つけた非対称な電流
#1874年、フェルディナント・ブラウンは、金属硫化物と金属の接触部分で、電流の流れ方が方向によって異なることを観察した。
#金属針を鉱石へ接触させ、電圧の向きを変えると、
#- 一方向には比較的流れやすい
- 反対方向には流れにくい
という非対称な性質が現れた。
#順方向
金属針 → 鉱石
電流が流れやすい
逆方向
鉱石 → 金属針
電流が流れにくいブラウンが観察したのは、後のp-n接合ダイオードそのものではない。主に、金属と半導体鉱物の小さな接触部分に現れる整流性だった。
#この現象は、後に点接触整流器へ発展する。ブラウンの発見時点では実用的な無線通信がまだ存在せず、本格的な用途を得るのはラジオ技術が発展してからだった。(CHM)
#歌詞の、
#1874 ブラウンの鉱石と金属針 一方向だけを通す 整流の扉が開く#
という一節は、この非対称伝導を表している。
#
#
8．整流とは交流の向きをそろえること
#整流とは、交流を、負荷から見て一方向へ流れる電気へ変換することである。
#整流された電圧は、必ずしも一定である必要はない。極性が反転せず、一方向だけに現れる波形も直流波形として扱われる。(Engineering LibreTexts)
#半波整流
#一個のダイオードを使うと、交流の一方の半周期だけを通せる。
#整流前
# ／＼ ／＼
────／──＼────／──＼────
／ ＼／半波整流後
# ／＼ ／＼
────／──＼────────────／──＼────負側の波を「消滅させている」というより、負の半周期ではダイオードが遮断状態になり、電流経路が開かれるため、負荷電流がほぼゼロになる。
#電荷が打ち消されて消えるわけではない。
##
全波整流
#四個のダイオードを組み合わせたブリッジ整流では、負の半周期も利用できる。
#正の半周期と負の半周期で、電流が通るダイオードの組み合わせを切り替える。
#交流が正の半周期
電源 → ダイオードA → 負荷 → ダイオードB → 電源
交流が負の半周期
電源 → ダイオードC → 負荷 → ダイオードD → 電源交流源側では向きが反転しているが、負荷を流れる電流の向きは同じになる。
#全波整流後
／＼ ／＼ ／＼
────／──＼／──＼／──＼────これは、波の下側を消すというより、
#負の半周期に使う経路を切り替え、負荷を流れる向きを反転させない#
仕組みである。
#
#
9．脈流、または脈動直流とは何か
#整流直後の電気は、方向は一方向だが、大きさが周期的に変化している。
#これを脈流または脈動直流という。
#電流方向：常に同じ
電流量 ：大きくなったり小さくなったりするしたがって、全波整流後の上向きの波は直流なのか、という問いには、
#広い意味では直流だが、一定した直流ではなく、脈動直流である#
と答えられる。
#数学的に見ると、全波整流波形には、
#- 平均値としての直流成分
- 周期的に変動する交流成分
の両方が含まれている。
#電子機器へ安定した電圧を供給するには、この変動をさらに小さくする必要がある。
#
#
10．平滑化――波の谷をコンデンサーで埋める
#整流と平滑化は別の処理である。
#- 整流：電流方向をそろえる
- 平滑化：電圧の上下変動を小さくする
整流器の後ろへコンデンサーを接続すると、波の頂点付近でコンデンサーが充電される。
#入力電圧が下がると、整流器からの供給が弱くなる代わりに、コンデンサーが負荷へ放電する。
#入力が高い
整流器 → コンデンサーを充電
↓
負荷
入力が低い
コンデンサー → 負荷へ放電整流直後
# ／＼ ／＼ ／＼
────／──＼／──＼／──＼────平滑化後
#────＼＿＿／────＼＿＿／────コンデンサーが波を完全に消すわけではなく、頂点と頂点の間へ電荷を供給し、谷を浅くしている。
#この残った小さな周期変動をリップルという。
#コンデンサーを追加すると、半波整流の脈動出力を、より滑らかな直流電圧へ近づけられる。(All About Circuits)
#電源回路では、さらに、
#- コイル
- 追加のコンデンサー
- 電圧レギュレーター
- スイッチング制御回路
などを使い、安定した直流を作る。
#交流
↓
整流
↓
脈動直流
↓
平滑化
↓
リップルを含む直流
↓
安定化
↓
ほぼ一定の直流
#
11．鉱石検波器は電磁波を直接つかまえるのか
#鉱石検波器は、空間を飛ぶ電磁波を鉱石だけで直接受け止める装置ではない。
#実際の受信は、次の役割分担で行われる。
#電磁波
↓
アンテナ
↓
高周波交流
↓
同調回路
↓
目的の周波数
↓
鉱石検波器
↓
整流された音声信号
↓
イヤホンアンテナ
#空間を飛ぶ電磁波の電界によって、アンテナ内の電子が揺さぶられる。その結果、アンテナの端子に微弱な高周波交流電圧が生じる。
#同調回路
#コイルとコンデンサーを組み合わせ、受け取りたい周波数を選ぶ。
#鉱石検波器
#高周波交流を整流し、信号の振幅に含まれた音声情報を取り出す。
#イヤホン
#取り出された音声周波数の電流を振動板の動きへ変え、音として聞かせる。
#鉱石ラジオでは、遠い送信所を受信するためにアンテナが必要であり、コイルとコンデンサーからなる同調回路が放送局を選択する。検波器の役割は、高周波信号から音声波形を回収することである。(The Open University)
#
#
12．電磁波がアンテナへ届くと何が起きるのか
#送信側では、高周波電流をアンテナへ流す。
#アンテナ内の電荷が高速で往復すると、時間変化する電界と磁界が周囲へ広がり、電磁波として空間を伝わる。
#受信側では逆のことが起こる。
#送信側
高周波電流
↓
送信アンテナ
↓
電磁波
受信側
電磁波
↓
受信アンテナの電子を揺らす
↓
高周波交流電圧アンテナは送信にも受信にも使用でき、アンテナを流れる変動電流は電波を発生させ、到来する電波はアンテナ内に信号を誘起する。(The Open University)
#したがって、鉱石へ入る時点で、電磁波はすでに回路内の高周波電圧へ変換されている。
#鉱石の役割は、その高周波から情報を取り出すことである。
#
#
13．なぜ高周波をそのままイヤホンへ入れても聞こえないのか
#AMラジオの搬送波は、人間の可聴域よりはるかに高い周波数で振動している。
#たとえば1 MHzなら、1秒間に100万周期で電圧が変化する。
#人間の耳が聞くのは、おおむね数十Hzから数万Hzの範囲である。1 MHzの波をそのままイヤホンへ入れても、振動板は音声として追従できない。
#AM信号では、声や音楽が、高周波の波の振幅の変化として載せられている。
#音声なしの搬送波
／＼／＼／＼／＼／＼／＼
音声を載せた搬送波
／＼
／ ＼
／細かい高周波＼＿＿細かな波そのものが搬送波で、その外側の形が音声の包絡線である。
#鉱石検波器は高周波を整流することで、この外側の変化を取り出せるようにする。
#
#
14．鉱石と金属針の接点は、粗いダイオードだった
#鉱石検波器では、方鉛鉱などの半導体鉱物へ、細い金属針を軽く接触させる。
#細い金属針
↓
● 接触点
━━━━━━━━━━
半導体鉱石この接点は、電圧の向きによって電流の流れ方が異なる非線形素子になる。
#現代的には、金属と半導体の境界に形成される電位障壁によって説明できる。ただし、天然鉱石は、
#- 不純物
- 結晶欠陥
- 酸化
- 表面の凹凸
- 結晶方位
が場所によって異なる。
#そのため、針をどこへ置いても同じ感度が得られるわけではなかった。
#使用者は針を動かし、整流性のよい「感度点」を探した。この細い可動針が、猫のひげに似ていることからキャッツウィスカーと呼ばれた。歴史的な実物にも、鉱石上の感度点を探すための可動式金属針が確認できる。(National Museum of American History)
#
#
15．整流すると、なぜ音声が現れるのか
#AM波を整流する前は、正負に高速で振動している。
#検波前
／＼ ／＼
────／──＼────／──＼────
／ ＼／鉱石接点を通すと、一方の向きが主に残る。
#検波後
／＼ ／＼
────／──＼──────────／──＼────この脈動直流の高さは、元のAM波の振幅に応じて変化している。
#高周波の細かな振動をイヤホンや回路の容量が平均化すると、ゆっくり変化する音声成分が残る。
#AM高周波
↓
鉱石接点で整流
↓
高周波の脈動直流
↓
高周波成分を除く
↓
音声周波数の電流
↓
イヤホンから音つまり鉱石は、電磁波を増幅しているのではない。
#高周波交流を整流し、搬送波の振幅変化を、イヤホンで扱える低周波信号へ変えている#
のである。
#
#
16．鉱石と金属針だけでラジオになるのか
#鉱石と金属針だけでも、端子へ高周波電圧を加えれば整流作用は起こる。
#しかし、実用的な受信機としては、それだけでは不十分である。
#必要になるのは、少なくとも次の要素である。
#長いアンテナ
↓
コイルとコンデンサー
↓
鉱石＋金属針
↓
高感度イヤホン
↓
アースまたは戻り経路同調回路がなければ、近くに複数の放送局がある場合に、目的の局を選びにくい。
#アンテナがなければ、十分な受信エネルギーを得られない。
#イヤホンがなければ、検波した電流を音へ変えられない。
#戻り経路がなければ、検波電流を流し続けられない。
#実際の鉱石ラジオでは、検波器へ直流的な戻り経路を与えるため、イヤホンの種類によっては抵抗を並列に入れる必要がある場合もある。(The Open University)
#
#
17．鉱石ラジオに電池がなくても音が聞こえる理由
#鉱石ラジオには、原理上、外部電源がなくてもよい。
#必要なエネルギーは送信所から届いた電磁波が運んでいる。
#送信所の電力
↓
送信アンテナ
↓
電磁波
↓
受信アンテナ
↓
同調回路
↓
鉱石検波器
↓
イヤホンただし、受信できるエネルギーは非常に小さい。
#そのため、
#- 大きなアンテナ
- 良好なアース
- 強い放送局
- 損失の少ない同調回路
- 高感度イヤホン
- 感度のよい鉱石接点
が必要だった。
#鉱石検波器には増幅機能がない。受信したエネルギーを選別・整流するだけであり、元の電波以上のエネルギーを生み出すことはできない。
#この弱さを解決したのが、後に登場する真空管の増幅作用だった。
#
#
18．鉱石検波器でもキルヒホッフの法則は成立する
#鉱石検波器で整流が起きても、電荷保存則は変わらない。
#検波器へ流れ込んだ電荷は、回路内の別の場所から戻らなければならない。
#アンテナ・同調回路
↓
鉱石検波器
↓
イヤホン
↓
アース・容量性戻り経路
↓
アンテナ側へ戻る高周波回路では、戻り経路が導線として明確に見えないことがある。しかし実際には、
#- アース
- アンテナと地面の容量
- コイルとコンデンサー
- 回路部品間の電界
- 寄生容量
を通じて電流経路が成立している。
#回路の各接続点では、入る電流と出る電流の関係が保たれる。
#ダイオードや鉱石検波器は、電流を一方向に流れやすくするが、電流を無から作るわけではない。
#
#
第1部まとめ――半導体の最初の役割は「計算」ではなかった
#十九世紀の研究者が手にしていたのは、シリコンウェハでも、クリーンルームでもなかった。
#硫化銀、金属硫化物、天然鉱石、細い金属針、電池、検流計である。
#ファラデーは、硫化銀が温度によって電気の流れやすさを変えることを観察した。
#ブラウンは、鉱石と金属の接点が、電流を一方向へ流しやすいことを見つけた。
#やがて無線通信が発展すると、その整流作用は鉱石検波器として使われた。
#電磁波
↓
アンテナで高周波交流へ変換
↓
同調回路で周波数を選択
↓
鉱石接点で整流
↓
脈動直流から音声を抽出
↓
イヤホンで音へ変換ここで重要なのは、半導体が最初から計算をしていたわけではないことだ。
#最初の役割は、
#- 電気の流れやすさを変える
- 電流方向を選ぶ
- 高周波から情報を取り出す
ことだった。
#整流とは、交流の負側を魔法のように消すことではない。
#半波整流では不要な向きの経路を遮断し、全波整流では経路を切り替えて負荷の電流方向をそろえる。整流後に残るのは脈動直流であり、コンデンサーによる平滑化で、より一定した直流へ近づける。
#どの場合にも閉じた電気的経路が必要であり、電荷保存とキルヒホッフの法則は成立している。
#石はまだ計算していない。
#しかし石はすでに、電気の方向を選び、電磁波に隠された情報を取り出し始めていた。
#次の時代、人類は同じ整流を真空の中でも実現する。
#1904年、フレミングの二極真空管。
#1906年、ド・フォレストの三極管。
#整流だけでなく増幅が可能になり、電話、無線、ラジオ、長距離通信を支える「巨大なガラスの灯」の時代が始まる。
#https://note.com/atom_/n/n76cfc57ed054
#