物理学物語（大人向け）

江崎玲於奈：量子トンネル効果を実用化したトンネルダイオードの物語

Tags: 江崎玲於奈, トンネルダイオード, 量子トンネル効果, 半導体物理学, エレクトロニクス

江崎玲於奈とトンネルダイオード：ミクロな壁抜けが拓いた電子技術の新境地

現代の電子機器は、半導体なくして語ることはできません。コンピューターのCPUからスマートフォンの通信チップまで、私たちの生活を支える多くの技術は半導体の働きに基づいています。その半導体技術の黎明期において、奇妙な電気的特性を持つ新しい素子を発見し、それが量子力学の不思議な現象である「トンネル効果」によるものであることを実証した日本人物理学者がいます。それが、江崎玲於奈博士です。

この記事では、江崎博士のトンネルダイオード発見の物語をたどり、その背景にある量子トンネル効果という物理原理、そしてこの発見が現代のエレクトロニクス技術にどのような影響を与えたのかを詳しく見ていきます。

物理学者・江崎玲於奈と半導体研究の時代

江崎玲於奈（1925年生まれ）博士は、大阪府出身の日本の物理学者です。東京大学で物理学を学び、卒業後は神戸工業（現在の富士通）に入社し、半導体研究の道を歩み始めました。

江崎博士が研究を始めた1950年代は、半導体技術が急速に発展していた時代でした。1947年にベル研究所でトランジスタが発明されたことで、それまで電子機器の主役であった真空管に代わる小型で消費電力の少ない素子として、半導体が大きな注目を集めていました。当初は点接触トランジスタが中心でしたが、より安定した性能を持つPN接合型トランジスタの研究が進められていました。

PN接合とは、P型半導体（正孔という電荷の担い手が多い）とN型半導体（電子という電荷の担い手が多い）を接合させた構造です。この接合面には、電子も正孔もほとんど存在しない「空乏層」と呼ばれる領域ができ、電流の流れを制御する重要な役割を果たします。

江崎博士は、このPN接合の研究を深める中で、ある奇妙な現象に遭遇します。

負性抵抗の発見：常識を覆す電気特性

江崎博士は、PN接合の空乏層を意図的に非常に薄くした、ゲルマニウムのPN接合ダイオードを作製して実験を行っていました。通常、PN接合ダイオードに順方向の電圧をかけていくと、ある電圧を超えたところから電流が急激に流れるようになります。しかし、江崎博士が作製した薄い空乏層を持つダイオードでは、順方向電圧を加えていくと、一度電流が増加した後に、電圧をさらに増やすと電流が減少するという、当時の常識では考えられない特性を示しました。

電気回路において、電圧を上げると電流が増加するのが普通です。電圧増加に対して電流が減少する領域は「負性抵抗」と呼ばれ、非常に珍しい現象です。真空管などでは一部の条件で観測されることはありましたが、半導体ダイオードでこのような特性が見られるとは予想されていませんでした。

この負性抵抗という奇妙な振る舞いの原因は何なのか。江崎博士はこの現象に深く着目し、そのメカニズムの解明に取り組みました。

発見の核心：量子トンネル効果の関与

江崎博士は、試行錯誤と詳細な実験、そして理論的な考察を重ねました。そして、この負性抵抗が、当時の多くの物理学者にはまだ半導体現象との関連が深く認識されていなかった、量子力学の「トンネル効果」によるものであるという結論に達しました。

トンネル効果とは、量子力学の世界で起こる非常に不思議な現象です。古典物理学では、エネルギーが足りない物体はポテンシャル障壁（エネルギー的な壁）を越えることはできません。しかし、量子力学では、粒子は確率的にこの壁をすり抜けることが許されます。まるで物理的な壁を「トンネル」を掘って通り抜けるかのような現象であることから、トンネル効果と呼ばれます。

江崎博士は、自身の作製したダイオードの非常に薄い空乏層が、この量子トンネル効果におけるポテンシャル障壁として機能していると考えました。順方向電圧をかけたとき、ある特定の電圧範囲では、P型半導体の価電子帯の電子が、空乏層という障壁を量子トンネル効果によってすり抜け、N型半導体の伝導帯の空いた状態に流れ込む現象（トンネル電流）が支配的になることを突き止めました。

さらに電圧を上げていくと、障壁をすり抜ける確率が減少し、代わって古典的な方法で障壁を越える通常の電流が増加し始めます。このトンネル電流が減少する領域が、電流が電圧とともに減少する「負性抵抗」として観測されたのです。

トンネルダイオードの誕生とその物理的意義

江崎博士は、このトンネル効果を利用したダイオードを「トンネルダイオード」と名付けました。これは、量子力学の予測するミクロな現象であるトンネル効果が、半導体という固体物質の中で実際に起こり、かつマクロな電気特性（電流-電圧特性）として明確に観測できることを初めて実証した画期的な発見でした。

この発見は、固体物理学、特に半導体物理学の分野に大きな衝撃を与えました。それまで理論的な現象と思われがちだった量子トンネル効果が、現実の物質中で電気的な性質として現れることが示されたからです。これは、量子力学が電子デバイスの動作原理として不可欠であることを改めて認識させる出来事となりました。

この功績により、江崎玲於奈博士は1973年に、同じく固体物理学における業績でノーベル物理学賞を受賞しました。

現代技術へのつながり：トンネル効果の広がり

江崎博士が発見したトンネルダイオードは、その負性抵抗を利用して、高速スイッチングや高周波の発振・増幅に利用されました。初期のコンピュータや通信機器でその応用が見られました。しかし、その後、より優れた特性を持つ他の半導体素子が登場したため、トンネルダイオードが広く普及するまでには至りませんでした。

しかし、江崎博士の発見の真の重要性は、トンネルダイオードという特定の素子そのものだけでなく、量子トンネル効果が半導体デバイスの動作原理として重要であることを示した点にあります。トンネル効果は、現代の様々な電子技術、特にエンジニアの皆様にとって身近な多くの分野で重要な役割を果たしています。

江崎博士の発見は、このように量子力学の基本的な原理が、現代の高度なエレクトロニクス技術においていかに重要であるかを示しています。

まとめ：基礎物理の発見が技術の未来を拓く

江崎玲於奈博士によるトンネルダイオードと量子トンネル効果の発見は、半導体物理学における画期的な出来事であり、量子力学がマクロな電子デバイスの動作に深く関わっていることを明確に示しました。この発見自体が生んだトンネルダイオードの応用は限定的だったかもしれませんが、その根底にある「トンネル効果の利用」という考え方は、その後の多くの電子デバイス開発にインスピレーションを与え、現代のフラッシュメモリやSTMといった最先端技術の基盤の一つとなっています。

江崎博士の物語は、基礎物理学の深い理解と、常識にとらわれない探求心、そして実験における粘り強さが、私たちの社会を変えるような革新的な技術を生み出すことを教えてくれます。物理学の探求は、過去の偉大な発見を知るだけでなく、現代そして未来の技術の原理を理解する上でも非常に重要であることを、改めて感じさせてくれます。