半導体のどこに量子論が利用されているのですか？

youtubeやブログなど色々なところで量子論は既に半導体などの工業製品に実際に利用されていると表現されていますが、例えば「製造工程のAの部分に量子のBの特性が利用されています」などと説明してくれている動画やウェブサイトを見つけることが出来ません。
もしAとBを説明できる場合や、AとかBではなくてCなんだよ。みたいに教えていただけると嬉しいです。

質問者からの補足コメント

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  皆様、ありがとうございます。ここまででやっとトンネル効果だけ理解できました。どうやらひとつだけでは無さそうなので他にもありましたら以下のように説明していただけると嬉しいです。
  
  フラッシュメモリはトランジスタ構造とゲート構造の間にトンネル酸化膜があって電子が通ったり通らなかったりする事でデータを保存しているけど、この酸化膜を通る現象が量子のトンネル効果です。
  
  また製品DもE部分にFの動作を発生させているが、これも量子のGという現象を利用したものです。

    補足日時：2022/07/29 08:16

No.10 回答者： puyo3155 回答日時： 2022/07/31 20:37

＞そこは求めていないので、もし教えていただける気がある場合はもう一度質問をお読みください。

もとめてないなら、得られない。
それが科学です。

そんな甘い世界なんてないのです。あなたの補足見ても、恥ずかしくなるぐらい間違っています。表層の会話は、そもそも正しくなにので無意味です。そしてそれを見たシロウトを混乱させ、受け売りバカを増殖させる。百害あって一利なし。迷惑な行為です。

No.9 回答者： puyo3155 回答日時： 2022/07/31 20:13

まあ、それを他人に説明しようとさせるのは、甘いんじゃない。

ちゃんと量子論（前期量子論で十分）を勉強して、半導体がほぼ半絶縁体であることをちゃんと理解しようやく一丁目一番。

また、電子回路や、光・波動工学、物性の基礎なども必要です。

それさえできれば、その後は、ダイオードでも、トランジスタでも、レーザでも、そのデバイスの動作原理の説明を見れば、そこそこの理解はできるはずです。

電子回路は、

・整流機能
・増幅機能
・スイッチ
・発信

などいくつかの基本動作の組み合わせ。
要素がわかれば、理解はどんどん進むはずです。

例えば、トランジスタだけみたって、読めば書いてありますよね。なんでも人に聞けばいいってもんじゃないですよ。コピペ、受け売り社会は、情けない。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%88%E3%83%A9 …

この回答へのお礼

そこは求めていないので、もし教えていただける気がある場合はもう一度質問をお読みください。私の質問から求めている回答を読み取れない、または読み取りたくない場合は無理して返信していただかなくて大丈夫です。期待しています。

お礼日時：2022/07/31 20:28

No.8 回答者： d9win 回答日時： 2022/07/29 15:17

「量子の研究で新たに見つかった現象で、現在の工業製品に利用されている半導体デバイスの例」を挙げれば、LEDやレーザーがあります。

これらは、量子力学の立場から理論的に予想されたデバイスです。ちなみに、トランジスタは、実験品で(予想に反して)動いてから、その動作原理を量子力学を用いて説明したものです。トランジスタを改良する段階でも、量子力学は用いてません。もっとも、LEDやレーザーの改良においても、ほとんどカット&トライで済ませて、物が出来てから説明が行われたのがほとんどです。例えば、高輝度青色LEDの開発物語がそうでしょう。
勿論、量子ロッドレーザーなどの理論予想が先行した例もありますが、マイナーです。
私が、不思議に思う量子力学を使ったデバイスは、微妙な磁場を検出できるスクィッド素子(センサー)です。2つの超電導接合(ジョゼフソン接合)をリング状に接続するだけのものですが、塊中の潜水艦が乱す地球磁場を飛行機から検出できるという優れものです。なお、この時の接合に流れる電流は、正真正銘のトンネル電流です。

No.7 回答者： d9win 回答日時： 2022/07/29 09:55

フラッシュメモリのゲート酸化膜に流れる電子電流は、FN-トンネル機構で流れるというのが通説です。

しかしながら、本来のトンネル現象は、電子が1〜5nm程度のごく薄い絶縁膜を(電圧が加わらなくとも)流れる電流です。そして、電子の通過による絶縁膜の劣化はありません。ところが、フラッシュメモリのゲート酸化膜は、それよりも一桁以上厚いです。そしてゲート電流が流すためには数V以上の電圧が必要です。また、書き込み/消去に電流が流れる度に極くわずかに酸化膜が劣化します(このため、破壊するまで酸化膜に電流を流し続ける寿命試験を行って、予想寿命を保証してます)。ですから、フラッシュメモリのゲート酸化膜に電子が流れる機構は、量子力学のいう本来のトンネル現象ではないと考えるのが、正統な物理家の判断だと思います。
同様に検討すると、トンネルダイオードもトンネル現象に当たらない疑念が多いにあります(例えば、2014年 電気学会研究会の発表EDD-14-073)。
数学と違い物理はいい加減な考えで済ませている所が多々ありますが、半導体物理は特にいい加減な説明が蔓延ってますので注意して下さい。

この回答へのお礼

ありがとうございます。フラッシュメモリにトンネル効果が利用されていると信じてしまっていましたが考えを改めました。「そういうことをyoutubeで言っている人がいる」とだけ覚えておきます。9winさんは量子の研究で新たに見つかった現象は現在の工業製品に利用されていないというお考えでしょうか。もし利用されている部分もあるとお考えの場合は以下の例のように簡単で良いので教えていただけると嬉しいです。ちなみに最近の数学ではabc予想の証明のような量子論が世に出てきたときにアインシュタインが「そんなものありえん」とおっしゃったようないい加減とも言われかねない証明が話題になっていたりフラーレンでも量子力学が通用するとわかってきたようです。なので何が「正統」なのかは私にはどうでもよくて（すごい人達がたくさん議論などしていただければよいと思っている）、youtubeやブログなどで「既に工業製品に量子の不思議な現象が利用されている」と表現している事について彼らがどこの部分に量子の不思議な現象が利用されていると言っているのかを知りたいというのが趣旨です。

【例】製品DもE部分にFの動作を発生させているが、これも量子のGという現象を利用したものです。

お礼日時：2022/07/29 10:38

No.6 回答者： d9win 回答日時： 2022/07/29 04:52

#5回答の通りですが、丁寧に書きますと次のようになります。

量子力学によって固体中の電子がどうなっているか判る1930年頃までは、金属と絶縁体の違いを理論的に説明できませんでした。導電率が金属と半導体の中間である物体は知られおり、その特性から”半導体”と呼ばれてましたが、勿論その仕組みは判ってませんでした。
量子力学は、そのような基本的な原理を明らかにしました。特に、物質中を自由に動くことができる電子(自由電子)とそれと電荷だけが逆になっている正孔が存在することを明らかにした点で決定的な働きをしました。そのような基礎理論が、工業製品の生産現場で表立って使われることはありません。シリコン結晶の製造、その熱処理、回路パターンの焼き付け、エッチング等、生産現場で使われるのは製造技術で、その理論や装置を扱うのは工学理論です。工学理論も、その基礎を煎じ詰めると量子力学に至りますが、最新鋭の露光装置とかエッチング装置の開発以外では必要ないでしょう。
製造どころかデバイスの動作を考える際にも量子力学は普通は使われてません。実際に半導体デバイスの動作はほぼ完全にデバイス シミュレータで予測できますが、昔からのトランジスタやICなどのシミュレーターは古典的な電磁気学の範疇で計算してます。もっとも、自由電子, 正孔, そして、それらの再結合や対発生と行った量子力学で初めて得られた要素(概念)は必ず使ってます。

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2022/07/28 23:56

1920年台後半、量子力学は原子単体から

原始の集合体としての固体を扱えるように発展します。
バンド理論が確立し、1930年台固体中の電子が
扱えるようになると、
これがタイオードやトランジスタを扱うための
基礎理論となります。

こうして1940年台、PN接合ダイオードやトランジスタの発明等
半導体の時代が花開きます。

私が学生時代、半導体の研究やる人はキッテルの「固体の量子論」
の読破が必須でした。ひどく難解で困りました(^_^;)

No.4 回答者： head1192 回答日時： 2022/07/28 20:07

そもそも原子自体が、量子論抜きに成り立たない。

量子論に独自の「離散」がなければ、電子は半永久的に原子核の周りを回れない。
電子のエネルギー順位がもし連続的なら、電磁波を放っているからその分しだいにエネルギーを失い、原子核に落ち込んでゆく。
そうならないのは量子論の離散により、電子はとびとびのエネルギー準位しか取れないからである。

パウリの排他律がなければ一つの電子軌道の定員が定まらない。
正孔どころでなくなる。

No.3 回答者： xs200 回答日時： 2022/07/28 19:17

たとえば、古典理論で

導体と半導体の違いを説明できますか?
LEDがなぜ何色で光るか説明できますか?
超伝導はなぜ?

バンド理論なしにデバイスの設計はできません。

http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/nagaosa-lab/resear …

No.2 回答者： eatern27 回答日時： 2022/07/28 19:13

色んな素子の動作原理をお調べになるのが良いかと。

半導体自体、量子論に基づいて理解されているので、すぐに量子論が登場しますよ。量子論が表に出てくる事が分かりやすいのは江崎ダイオードとかですかね。もっといい例があるかもしれませんが。

No.1 回答者： chiha2525 回答日時： 2022/07/28 18:55

使われていないよｗ

あえて言うならリーク電流のことでしょう。漏れ電流です。配線が微細になると、流れていた電流が隣の線に移ってしまうといった現象で、これをトンネル効果だとか大喜びして呼んでいたりします。
本当は、レールガンの仕組みなんかを調べたりしたら分かりますが、電気が流れると”周り”に影響を及ぼします。エネルギーは保存されるので、隣が動けばその分だけ元が減るわけです。そんなのをトンネル効果と言っているようなものです。（ウソかもｗ）