高等学校情報/情報の科学/論理回路と半導体

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※ ANDやORの概念については、『高等学校情報 社会と情報/検索』 を参照せよ。

はじめに

（※ 普通科の範囲外）

ダイオードという半導体素子を用いた回路により、物理的にANDやORの処理を実行できる。

結論を先に示すと、

AND,OR,NOT

AND回路

OR回路

である。

では、まずダイオードについて、学んでいこう。

ダイオード

（※ 普通科の物理IIでも習う）

ダイオードの順方向。電流は流れる。

ダイオードの逆方向。電流は流れない。

p型半導体とn型半導体を接合し(pn接合)た物体が、一方向のみに電流を流す。

このような部品をダイオード（diode）という。

p側に正電圧を掛け、n側に負電圧を掛けた時、電流が流れる。

いっぽう、p側に負電圧を描け、n側に正電圧を掛けても、電流が流れない。

回路において、ダイオードが電流を流す向きを順方向（じゅんほうこう）という。順方向とは反対向きを逆方向という。ダイオードの逆方向には、電流は流れない。

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。

• p側に正電圧を掛け、n側に負電圧を掛けた時

ダイオードのp側に正電圧をかけ、いっぽうn側に負電圧をかけると、p側では正電極の正電圧からホールが反発して接合面へと向かい、いっぽうn側では電子が負電極から反発して接合面へと向かう。そして、接合面で、ホールと電子がであい、消滅する。この結果、見掛け上、正電荷が、正電極から負電極に移動したのと、同等の結果になる。

そして、正電極から、つぎつぎとホールが供給されるので、電流が流れ続ける。

• p側に負電圧を描け、n側に正電圧を掛けた時

いっぽう、p側に負電圧を描け、n側に正電圧を掛けた時、p側ではホールは電極（電極には負電圧が掛かってる）に引き寄せられ、接合面からは遠ざかる。同様にn側では電子が電極（正電圧が掛かってる）に引き寄せられ、接合面からは遠ざかる。

この結果、接合面には、余分なホールも余分な電子もない状態となり、よって接合面の付近にはキャリアがなく、この接合面付近のキャリアの無い部分は空乏層（くうぼうそう、depletion layer）と呼ばれる。

そして、それ以降は、ホールも電子も、もうどこにも移動の余地がないので、よって電流が流れない。

このようにして、ダイオードは、P側の電圧が、N側の電圧よりも高い場合にのみ、電流を流す。

ダイオードによる論理計算

AND回路

（※ 普通科の範囲外）

（※　工業高校教科書でも科目『ハードウェア技術』にしか書いてない！）

AND,OR,NOT

AND回路

なぜ、この回路図がAND処理なのか、見ていこう。

まず、図のCは論理計算「A and B」に対応する結果である。

説明の簡単化のため、Aの電圧は0Vか5Vのどちらかを取るとしよう。同様に、Bの電圧は0Vか5Vのどちらかを取るとしよう。

さて、AとBの電圧の両方とも5V以上の場合にのみ、Cが5Vになる。

なぜなら、

・ もし、AとBの電圧の両方とも5V以上なら、ダイオードに電流が流れないから、5Vがほぼそのまま出力Cに伝わる。（抵抗Rでの電圧降下はあるが、充分に無視できるように、回路を設計してあるとする。）

・ 一方、もし、Aが0Vなら、ダイオードD1が導通する。このとき、オームの法則により、抵抗Rで電圧が5Vぶん低下するので、Cの電圧も0Vになる。よって、Bの電圧が0Vだろうが5Vだろうが、もはやCの電圧は0Vである。

この結果を表にすると、5Vを「H」として、0Vを「L」とすれば、

電圧 A	電圧 B	電圧 C
H	H	H
H	L	L
L	H	L
L	L	L

となる。

一方、論理計算 A and B とは、

条件 A	条件 B	A and B
真	真	真
真	偽	偽
偽	真	偽
偽	偽	偽

という計算である。

「真」をHに対応させ、「偽」をLに対応させれば、

表から分かるように、図の電気回路は、A and B の計算結果と同じである。

よって、ダイオードを用いた回路で、A and B を計算できる。

また、この回路図のように、論理計算のAND計算をできる回路のことをAND回路という。

OR回路

ダイオードによるORゲート

電圧は、

条件 A	条件 B	A or B
H	H	H
H	L	H
L	H	H
L	L	L

となる。（Hは電圧が高い状態。Lは電圧が低い状態。）

これに、Hを論理計算の「真」に対応され、Lを「偽」に対応させれば、

条件 A	条件 B	A or B
真	真	真
真	偽	真
偽	真	真
偽	偽	偽

となる。

表から分かるように、図の電気回路は、A or B の計算結果と同じである。

よって、ダイオードを用いた回路で、A or B を計算できる。

また、この回路図のように、論理計算のOR計算をできる回路のことをOR回路という。