半導体とは、電気を「通す・通さない」を切り替えられる物質——それだけの性質が世界を動かしている

スマートフォン、AIデータセンター、自動車、電力網まで、現代社会のほぼすべてが半導体の上で動いています。この記事では、半導体の「正体」と「作り方」を、3Dモデルと工程図解で直感的に理解します。産業構造や投資・地政学は、続く2記事で扱います。

半導体とは何か

半導体とは、条件によって電気を通したり通さなかったりする物質、およびそれを利用した電子部品のことです。代表的な材料はシリコンで、不純物を加えることで電気の流れ方を精密に制御できます。

この「通す・通さない」を電圧で切り替えられる性質が決定的に重要です。なぜなら、流れる状態を「1」、流れない状態を「0」とみなせば、すべての計算とデータをこの2つの数字で表現できるからです。半導体は、この切り替えを行うトランジスタという小さなスイッチを、1つのチップに数十億〜数百億個も詰め込んだものです。

半導体にはどんな種類があるのか

半導体は大きく、ロジック・メモリ・アナログ・パワー半導体・センサーの5種類に整理できます。それぞれ役割も、作り手の構造も異なります。ここを押さえると、このあとの構造や産業の話が一気に分かりやすくなります。

最大のポイントは「作り手の構造」です。設計と製造を分けるファブレス＋ファウンドリの分業が進んでいるのは、主にロジックです。一方、メモリ・アナログ・パワー半導体は、設計から製造までを自社で一貫して行うIDM（垂直統合型）が中心です。

なぜ黒い板の中に世界が詰まっているのか

私たちが目にする半導体は黒い小さな板ですが、その内部は複数の層が積み重なった精密な立体構造です。下のモデルでレイヤーを1枚ずつ消すと、何が入っているかが分かります。

一番下にあるのが外部とつなぐパッケージ基板、その上に半導体の本体であるシリコン基板があります。表面近くにトランジスタ層があり、その上を十数層にもなる銅の配線層がつないでいます。最後に放熱用のヒートスプレッダが全体を覆います。つまり黒い板の正体は「ふた」であり、本当の主役はその下で層をなすトランジスタと配線なのです。

どうやってチップは作られるのか（前工程→後工程）

チップは、回路を作り込む「前工程」と、それを製品の形に組み立てる「後工程」の2段階で作られます。前工程では、膜をつける「成膜・塗布」、光でパターンを焼く「露光」、不要な部分を削る「エッチング」を、層の数だけ何度も繰り返します。上の断面の多層構造は、この繰り返しの結果です。

下の図解は、前工程①〜⑥から後工程①〜⑥までを1本の流れでたどれます。前工程の最後（除去・洗浄）の次が、後工程の最初（バックグラインド）です。

前工程で最も重要なのが露光で、最先端の露光装置はオランダのASMLが独占しています。成膜やエッチングの装置も東京エレクトロンなどごく少数の専業メーカーが担っており、半導体製造が「装置産業」と呼ばれる理由がここにあります。一方、後工程はOSAT（組み立てと検査を専門に請け負う企業群）が担います。近年は、複数のチップを高密度につなぐ先端パッケージング（代表例がCoWoS）が、AI半導体の性能を左右する新たな主戦場になっています。

なぜ歩留まりが半導体の難しさを決めるのか

半導体は、1枚の円いウェハーの上に同じチップ（ダイ）を多数まとめて作り、最後に切り出します。このとき、欠陥のない良品がどれだけ取れるかの割合を歩留まりと呼びます。下のシミュレーターでスライダーを動かすと、歩留まりが下がるほど赤い不良チップが増えていきます。

良品ダイ数は「総ダイ数 × 歩留まり」で決まり、これが製造原価と供給量を直接左右します。先端のプロセスノードほど回路が微細で、ほんのわずかなチリや誤差が欠陥になるため、立ち上げ初期の歩留まりは低くなりがちです。そのため、半導体の製造が「難しい」と言われる理由の多くは、この歩留まりとの戦いにあります。

トランジスタはどうやって0と1を作るのか

トランジスタは電気のスイッチです。ゲートと呼ばれる電極に電圧をかけると、ソースからドレインへ電流が流れます。流れる状態が「1」、流れない状態が「0」です。下のモデルでON/OFFを切り替えると、ゲートが光り電子が流れ出します。

この単純なスイッチを数十億個並べ、配線でつなぐことで、足し算から画像認識、生成AIの計算までを行います。半導体の微細化とは、突き詰めれば「同じ面積により多くのスイッチを、より省電力で載せる」ことです。だからこそ各社は1ナノメートル単位の世代競争を続けています。

技術的なポイントは何か

半導体の性能は、トランジスタの微細化だけでなく、複数のチップをどう束ねるか（パッケージング）でも決まる時代になりました。次の段階として、この技術が「どの企業によって、どこで作られているのか」という産業の地図を見ていきましょう。

次に読むと、産業と投資が見えてくる

ここまでで半導体の「正体」と「作り方」が分かりました。次は、これを誰がどこで作っているのかという産業構造です。「半導体産業はどう動くのか」ではバリューチェーンと主要企業・市場規模を、「米中半導体摩擦2026年の全体像」では規制・台湾リスクを扱います。