半導体工学

科目基礎情報

学校	奈良工業高等専門学校	開講年度	令和02年度 (2020年度)
授業科目	半導体工学
科目番号	0098	科目区分	専門 / 選択
授業形態	講義	単位の種別と単位数	学修単位: 2
開設学科	電気工学科	対象学年	5
開設期	後期	週時間数	2
教科書/教材	〔教科書〕プリントを配布して講義を行う。〔補助教材・参考書〕高橋清, 山田陽一, 「半導体工学（第3版）－半導体物性の基礎－」, 森北出版
担当教員	關 成之

到達目標

1. 量子論の基礎を理解し，シュレディンガーの波動方程式からエネルギー帯理論を導くことができる．また，半導体における電気伝導機構，少数キャリアに対する連続の方程式，移動度，ならびにアインシュタインの関係式について説明することができる．
2. pn接合のエネルギー準位図と電流-電圧特性，逆方向降伏現象，空乏層容量について説明することができる．また，ヘテロ接合および金属-半導体接触についてエネルギー準位図を用いて説明することができる．接合型トランジスタおよび電界効果型トランジスタの動作原理と電流-電圧特性などについて説明することができる．
3. 半導体の光学的性質とフォトダイオードや太陽電池，LED，レーザなどの光デバイスの動作原理について説明することができる．また，半導体の熱電的性質や磁電効果などについて説明することができる．さらに，集積回路の基本的な製作プロセスについて説明することができる．

ルーブリック

	理想的な到達レベルの目安	標準的な到達レベルの目安	未到達レベルの目安
評価項目1	量子論の基礎を理解し，シュレディンガーの波動方程式を解いてエネルギー帯理論を導くことができる．また，半導体における電気伝導機構，少数キャリアに対する連続の方程式，移動度，ならびにアインシュタインの関係式について説明することができる．	量子論の基礎を理解し，シュレディンガーの波動方程式からエネルギー帯理論を導くことができる．また，半導体における電気伝導機構，少数キャリアに対する連続の方程式，移動度，ならびにアインシュタインの関係式について理解することができる．	量子論の基礎を理解し，シュレディンガーの波動方程式からエネルギー帯理論を導くことができない．また，半導体における電気伝導機構，少数キャリアに対する連続の方程式，移動度，ならびにアインシュタインの関係式について説明することができない．
評価項目2	pn接合のエネルギー準位図と電流-電圧特性，逆方向降伏現象，空乏層容量について理解し説明することができる．また，ヘテロ接合および金属-半導体接触についてエネルギー準位図を用いて説明することができる．接合型トランジスタおよび電界効果型トランジスタの動作原理と電流-電圧特性などについて説明することができる．	pn接合のエネルギー準位図と電流-電圧特性，逆方向降伏現象，空乏層容量について理解することができる．また，ヘテロ接合および金属-半導体接触のエネルギー準位図を示すことができる．接合型トランジスタおよび電界効果型トランジスタの動作原理と電流-電圧特性などについて説明することができる．	pn接合のエネルギー準位図と電流-電圧特性，逆方向降伏現象，空乏層容量について理解することができない．また，ヘテロ接合および金属-半導体接触のエネルギー準位図を示すことができない．接合型トランジスタおよび電界効果型トランジスタの動作原理と電流-電圧特性などについて説明することができない．
評価項目3	半導体の光学的性質とフォトダイオードや太陽電池，LED，レーザなどの光デバイスの動作原理について説明することができる．また，半導体の熱電的性質や磁電効果などについて説明することができる．さらに，集積回路の基本的な製作プロセスについて説明することができる．	半導体の光学的性質とフォトダイオードや太陽電池，LED，レーザなどの光デバイスの動作原理について理解することができる．また，半導体の熱電的性質や磁電効果などについて理解することができる．さらに，集積回路の基本的な製作プロセスについて説明することができる．	半導体の光学的性質とフォトダイオードや太陽電池，LED，レーザなどの光デバイスの動作原理について理解することができない．また，半導体の熱電的性質や磁電効果などについて理解することができない．さらに，集積回路の基本的な製作プロセスについて説明することができない．

学科の到達目標項目との関係

準学士課程（本科１〜５年）学習教育目標 （２）

JABEE基準 (d-1)

JABEE基準 (d-2a)

システム創成工学教育プログラム学習・教育目標 B-2

システム創成工学教育プログラム学習・教育目標 D-1

教育方法等

概要:

本講義ではまず，半導体の物性を理解する上で必要な量子論の基礎について解説を行う．ついで，半導体の電導機構，pn接合，金属-半導体接触などについて解説した後，各種ダイオードデバイスとトランジスタについて解説する．また，半導体の光学的性質や熱電的性質等について説明し，それを応用したデバイスについても解説する．

※実務との関係
この科目は，企業や研究センター等で表示素子および透明導電性半導体の研究・開発を担当していた教員が，その経験を活かし，半導体の種類，物性，動作原理，製造工程，応用例等について講義形式で授業を行うものである．

授業の進め方・方法:

座学による講義が中心である．講義の節目には演習課題に取り組み，各自の理解度を確認する．

注意点:

関連科目： 電子工学，電気電子材料，電磁気学，微分積分，応用数学，応用物理，アナログ回路
学習指針： 数学的な取り扱いが多いが，半導体中の電子や正孔の振る舞いを物理的な知識に基づいてイメージできるまで理解を深めることが大切である．
事前学習： 到達目標を達成するためには，上記の参考書等を参照して講義内容の予習をしておくこと．
事後発展学習： 講義で出された演習課題を自ら解き，次回の講義開始前までに提出する．

学修単位の履修上の注意

自学自習時間では演習課題に取り組み，到達目標を達成するために理解を深め，定期試験に臨むこと．

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
後期
	3rdQ
		1週	量子論の基礎	光および電子の粒子性と波動性，波束と群速度，ド・ブロイの関係式について説明することができる．
		2週	量子論の基礎	シュレディンガーの波動方程式から量子井戸の固有値と固有関数を求め，そのエネルギー準位図を示すことができる．フェルミエネルギーについて説明できる．
		3週	固体のバンド理論	導体・半導体・金属のエネルギー帯構造を理解し，説明することができる．
		4週	固体のバンド理論	シュレディンガーの波動方程式からエネルギー帯理論を導出することができる．
		5週	統計力学の基礎	フェルミ・ディラックの分布関数について説明することができる．
		6週	半導体の電気伝導	半導体の電気伝導機構，半導体中のキャリア濃度，キャリアの再結合，少数キャリアの連続の方程式について説明することができる．
		7週	半導体の電気伝導	アインシュタインの関係式，移動度，半導体の種類，p型・n型について説明することができる．
		8週	pn接合	pn接合のエネルギー準位図と電流‐電圧特性（階段接合・傾斜接合）を説明することができる． pn接合の逆方向降伏現象と空乏層容量，トンネルダイオードについて説明することができる．
	4thQ
		9週	金属-半導体接触	金属‐半導体接触のエネルギー準位図，電気伝導機構，ショットキーダイオードについて説明することができる．
		10週	半導体の光学的性質	光と物質の相互作用について理解し，半導体の光学的性質について説明することができる． 半導体からの発光と光電効果について説明することができる．
		11週	光デバイス	発光デバイス（LED，レーザダイオード）について説明することができる．
		12週	光デバイス	受光デバイス（太陽電池，フォトダイオード）について説明することができる．
		13週	半導体の各種性質	半導体における熱電効果（ゼーベック効果，ペルチエ効果，トムソン効果）および半導体の熱伝導率について説明することができる． 半導体における磁電効果（ホール効果，磁気抵抗効果），ひずみ抵抗効果について説明することができる．
		14週	演習問題	量子論、固体のバンド理論、統計力学、半導体の電気伝導・光学的性質・各種性質、pn接合、金属－半導体接触、光デバイスに関する演習問題を行い、理解を深める．
		15週	学年末試験	授業内容を理解し，試験問題に対して正しく解答することができる．
		16週	試験返却・解答	試験問題を見直し，理解が不十分な点を解消する．

評価割合

	定期試験	受講課題	合計
総合評価割合	80	20	100
基礎的能力	40	5	45
専門的能力	30	10	40
分野横断的能力	10	5	15