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江崎玲於奈(1925-)

ノーベル物理学賞受賞の物理学者・江崎玲於奈は大正14年(1925)3月12日大阪
府で生まれました。第三高等学校から、東京帝大に進学。物理学科卒業後、
神戸工業、東京通信工業(現ソニー)、などに勤務。1960年にIBMに移り、後に
日本アイビーエム取締役になっています。

「エサキダイオード」の発明に至る現象は1957年ソニー時代に発見されたもの
です。当時ソニーではFMラジオのための高周波特性の良いトランジスタの開発
に取り組んでいました。2T7と呼ばれるこのトランジスタはソニー半導体部の
塚本哲男が考案したものでした。

トランジスタは半導体の組合せで出来ています。基本的には4価の物質(シリコン
やゲルマニウム)に3価または5価の不純物を混ぜ、その結果できる正孔や余剰電子
が電気の運び手となります。3価の物質を混ぜて作った正孔(電子の不足)が電気
を運ぶタイプをp型半導体、5価の物質を混ぜて作った電子が電気を運ぶタイプを
n型半導体といいます。

p型半導体とn型半導体を接合させた時、
　p→nに電圧を掛けると
　　p型半導体の中では電子が電極方向に移動して接合面付近に正孔が多数
　　発生します。n型半導体の中では電子が接合面方向に移動し、接合面付近
　　多数の電子がたまります。するとその電子は接合面を越えてp型半導体
　　内に移動しますので、結果的に電気が流れることになります。
　
　n→pに電圧を掛けると
　　p型半導体の中では電子が接合面方向に移動し、接合面付近の正孔を
　　どんどん埋めてしまいます。n型半導体の中では電子が電極方向に
　　移動し、接合面付近にはほとんど電子がなくなります。結果的に
　　接合面付近に電気の運び手が無くなり、電気は流れません。
　
ということで、交流を直流に変換するための整流器を作ることができます。
これをダイオードといいます。

トランジスタはpnp或いはnpnという形に半導体を3つ接合したものです。この
時、両側の半導体部分をコレクタ・エミッタといい、真ん中の半導体部分を
ベースと言います。このベースをとても薄く作ること、エミッタのほうが
コレクタより不純物濃度が高い(電荷の運び手が多い)のがミソです。

例えばnpn結合の場合、通常の状態でコレクタ→エミッタ間に電圧を掛けても
コレクタ→ベース間がnp結合なので、電流は流れません。

しかしここでベース→エミッタにも電圧を掛けると、これはpn結合で電流が
ちゃんと流れる上に、エミッタからベースに入った電子がp型半導体内の正
孔を埋めていき、更に一部はそのまま勢い余ってコレクタにまで入ってしま
います。結果的にコレクタ→エミッタにも電流が流れることになります。

コレクタ→エミッタ間の電流は、ベースの電圧が大きいほど大きくなるので
電流の増幅効果が得られます。

（電流の流れは伝統的に電子の移動方向と逆向きとして表現される）

さて、塚本が考案した2T7は4価の物質としてゲルマニウムを使ったnpn型の
トランジスタでしたが、従来5価の物質としてアンチモンを使っていたのを燐
に変えたのがオリジナルでした。良質の高周波トランジスタを作るためには
不純物の量を多くしなければならなかったのですが、アンチモンは原子番号
が大きい為大量に混ぜるとゲルマニウムの結晶がうまく育ちにくいという問
題が起きていました。しかし燐だと小さいため、この問題を回避できたのです。

ところがこの新型トランジスタの量産を始めた段階になって大量の不良品が
出てしまいました。あまりの歩留まりの悪さに悲鳴をあげて研究所の江崎ら
が調査に駆り出されました。この時、彼らはある一定濃度の燐を混ぜた時に
ある電圧で突然電気特性が悪化するという現象を見つけだしました。

本来なら、5価の燐がたくさん混ざれば、それだけ電子がたくさん余りますか
ら、たくさん電気が流れるはずです。そしてその流れる量は、掛ける電圧が
高ければ高いほどたくさんになるはずです。

それにも関わらず、ある電圧を越えると電圧を掛けるほど電気が流れにくく
なり、またある電圧を越えるとまた電圧に応じて電流が増えていくという
「コブ現象」が見つかります。

この現象は燐の濃度がある限界以下であれば起きないことが分かったので、
ソニーはそれでやっと安心して新型トランジスタの量産ができるようになっ
たのですが、江崎はこの現象の原因は何だろうかと考え、これはトンネル
効果によるものに違いないという結論に到達します。

つまり、電子のような素粒子の居場所というのは本来確率によってしか表す
ことができないので、電子が通常エミッタからベースへ移動することができ
ないと言っても、この壁の向こう側に全く出現しないというのは量子力学の
『不確定性原理』に反します。従って本来この接合面を通ることができる
はずのない電子が実はトンネルを抜けたかのようにベース側に出現すること
も可能なはずです。これがトンネル効果と呼ばれるものです。

これは量子力学によってのみ説明することができ、古典的な物理学理論には
反する現象です。

江崎が考えた概要はこうです。

　本来、トランジスタにおいてエミッタ内の電子は実はベースの電圧の助け
　がなくても、トンネル効果によって接合面を飛び越えることができるので
　である。それがベース電圧がかかることにより大量の電子が供給され飛び
　越える電子も多くなる。もちろん先程の説明のようにして境界を越える
　電子もある。これが通常のトランジスタの動作状態。

　ところがある水準を超えて電圧が高くなるとエミッタ側の電子の電位が
　高すぎて接合面の向こう側にその状態で出現することができなくなり、
　トンネル効果が起きにくくなる。このためこの領域では電圧を高くする
　ほど流れる電流が減少する。

　しかしそのトンネル効果の起きる電子が完全に無くなると、通常のpn接合
　によって流れる電子だけになってしまい、再び電圧を掛けるほど大量の
　電子が流れるようになる。

これと同じことはトランジスタではなくダイオードでも、不純物濃度を高く
すれば起こすことができます。これが「エサキダイオード」です。

江崎はこの成果を同年秋の物理学会で発表しましたが、国内の学者の反応は
極めて冷たいものでした。しかし江崎はそれを翌1958年アメリカの雑誌に
投稿、ブリュッセルで開かれた国際会議でも発表しました。するとこれに
シリコンバレーの生みの親でもある、トランジスタ研究の先駆者ウィリアム・
ショックレーが反応。絶賛したことから、江崎の研究は大いに注目を集める
こととなりました。

エサキダイオードはスイッチング素子として使用した時、非常に速い反応を
するため、高速のコンピュータを制作するのにたいへん役に立つと期待され
ました（現在ではコンピュータはMOS型トランジスタに主力が移ってしまい、
エサキダイオードは使用されていない。エサキダイオードの現在の主な使用
用途はマイクロ波の発振回路である）。

結局江崎は1960年からアメリカのIBMに移り、その後もこの方向の研究を続け、
1973年、一連の研究に対してノーベル物理学賞が授与されました。そして、
江崎がノーベル賞をもらってはじめて日本の学会は慌てて江崎の評価をしは
じめた、というのは湯川秀樹・広中平祐などと同様です。

江崎は1992年にはつくば大学学長に選ばれ、その後、茨城県科学技術振興財団
理事長、つくば国際会議場館長、芝浦工業大学学長、教育改革国民会議座長
などを歴任しています。