概要:
電子デバイスの中で固体の役割は極めて大きい。本講義では電子の基礎となる前期量子論から固体中の電子状態について学び、金属および半導体内での電子の挙動を基本的な観点から定量的に学ぶ。
授業の進め方・方法:
講義形式により重要な概念の解説を行い、より深く理解するために、周囲とのコミュニケーションを交えた自習をおこなう。最後には小テストを行い理解度チェックを実施する。宿題は自力で調べながら学習するもので、試験範囲にも入る。
注意点:
授業中は集中して理解に努め、わからないところを授業中に質問して解決していくプロセスが求められる。毎回復習が必要。本科目は授業で保証する学習時間と、予習、復習および課題レポート作成に必要な標準的な自己学習時間の総計が90時間に相当する学習内容である。評価の対象としない欠席条件(割合)>1/3以上
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
前期 |
1stQ |
1週 |
量子論、シュレーディンガー方程式
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光および電子の波動性と粒子性について理解しシュレーディンガー方程式を導出できる。
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2週 |
ボーアの理論と原子軌道
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ボーアの理論を導出して軌道半径と軌道のエネルギーを算出できる。原子軌道の種類を知る。
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3週 |
共有結合とエネルギーバンド
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共有結合の起源および混成軌道について知り、多数の原子が集まるとエネルギー準位がバンドになることを知る。
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4週 |
電気伝導、位相速度と群速度
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電気伝導を示すドゥルーデの理論を導き出せ、位相速度と群速度の定義を知る。
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5週 |
確認テスト
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60点以上をとる。
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6週 |
分散関係と有効質量とブリルアンゾーン |
光と電子の分散関係を導出し、有効質量を導出できる。正孔の概念を理解する。ブリルアンゾーンについて知る。
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7週 |
自由電子論、状態密度
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シュレーディンガー方程式を解いて運動量の量子化を導ける。また電子の状態密度の計算を行える。
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8週 |
半導体内のキャリヤ統計I |
半導体内のキャリヤ密度を定量的に導出できる。有効状態密度の概念を理解する。
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2ndQ |
9週 |
半導体内のキャリヤ統計II
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NP積の性質を理解する。キャリヤ密度の温度依存性に3種類の領域があることを知る。
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10週 |
確認テスト
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60点以上をとる。
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11週 |
半導体と金属の接触
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半導体と金属が接触したとき、2種類の状態が実現されることを定性的に理解する。
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12週 |
アインシュタインの関係式
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拡散係数と移動度の関係を示すアインシュタインの関係式を導出できる。さらに少数キャリヤ注入の式を導出できる。
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13週 |
PN接合のI-V特性
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PN接合のI-V特性を定量的に導出できる。
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14週 |
空乏層の容量
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PN接合における空乏層の容量を定量的に導出でき、拡散電位を実験で求める方法を知る。
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15週 |
確認テスト
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60点以上を取得する。
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16週 |
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分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
専門的能力 | 分野別の専門工学 | 電気・電子系分野 | 電子工学 | 電子の電荷量や質量などの基本性質を説明できる。 | 4 | 前1,前5 |
エレクトロンボルトの定義を説明し、単位換算等の計算ができる。 | 4 | 前1,前3 |
原子の構造を説明できる。 | 4 | 前2 |
パウリの排他律を理解し、原子の電子配置を説明できる。 | 4 | 前2 |
結晶、エネルギーバンドの形成、フェルミ・ディラック分布を理解し、金属と絶縁体のエネルギーバンド図を説明できる。 | 4 | 前3,前6 |
金属の電気的性質を説明し、移動度や導電率の計算ができる。 | 4 | 前4,前7 |
真性半導体と不純物半導体を説明できる。 | 4 | 前8,前9,前10 |
半導体のエネルギーバンド図を説明できる。 | 4 | 前3,前6,前9,前11 |
pn接合の構造を理解し、エネルギーバンド図を用いてpn接合の電流―電圧特性を説明できる。 | 4 | 前13 |
バイポーラトランジスタの構造を理解し、エネルギーバンド図を用いてバイポーラトランジスタの静特性を説明できる。 | 4 | 前9 |
電界効果トランジスタの構造と動作を説明できる。 | 4 | 前11 |
分野横断的能力 | 汎用的技能 | コミュニケーションスキル | コミュニケーションスキル | 日本語と特定の外国語の文章を読み、その内容を把握できる。 | 3 | 前1,前2,前3,前4,前6,前7,前8,前9,前12,前13,前14 |
書籍、インターネット、アンケート等により必要な情報を適切に収集することができる。 | 3 | 前1,前2,前3,前4,前6,前7,前8,前9,前12,前13,前14 |
基盤的資質・能力 | 自己理解 | 自己理解 | 日常の生活における時間管理、健康管理、金銭管理などができる。 | 3 | 前5,前10,前15 |