電子物性工学

科目基礎情報

学校	一関工業高等専門学校	開講年度	令和02年度 (2020年度)
授業科目	電子物性工学
科目番号	0003	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	専攻共通	対象学年	専1
開設期	後期	週時間数	2
教科書/教材	物性科学入門シリーズ・電気伝導入門（前田京剛，裳華房）
担当教員	谷林 慧

到達目標

【教育目標】C
【学習・教育到達目標】C-2

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
オームの法則の微視的理解	量子論等の微視的な物理学を導入する必然性について理解できた	オームの法則の微視的な理解ができた	オームの法則の微視的な理解ができなかった
電気伝導に関する発展的な話題	電気伝導に関する発展的な話題について，ある程度理解できた	電気伝導に関する発展的な話題に対して，興味を持てた	電気伝導に関する発展的な話題に対して，興味を持てなかった

教育方法等

概要:

授業では，主に，「第1章物質の電気伝導とオームの法則」，および「第2章オームの法則の微視的理解」を扱う。
最後に，「題8章電気伝導に関する発展的な話題」の中のいくつかのトピックに触れる。

授業の進め方・方法:

教室での座学授業。アクティブラーニングを導入する予定は無い。

注意点:

期末試験の得点で評価する。

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
後期
	3rdQ
		1週	１．物質の電気伝導とオームの法則 1.1　オームの法則	オームの法則とは何か？について説明できる。 ｛抵抗，抵抗率，コンダクタンス，電気伝導度｝の定義や互いの関係について説明できる。
		2週	1.2　様々な物質の電気伝導	導体と絶縁体（含む半導体）の違いを，抵抗率の大きさや温度依存性の観点から説明できる。
		3週	1.3　分極と誘電性	絶縁体に電圧をかけたときに生じる誘電分極について説明できる。
		4週	2．オームの法則の微視的理解（1） 2.1　古典論による自由電子モデル	オームの法則が古典論に基づいて導けること説明できる。 電子の平均自由行程を古典論に基づいて求めると，値が原子間距離程度となり，最新の実験結果と合わないことを説明できる。
		5週	2.2　量子論による自由電子モデル	自由電子ガスを量子論に基づいて記述する方法について説明できる。 電子の平均自由行程を量子論に基づいて求めると，値が原子間距離の約30倍になり，最新の実験結果と合うことを説明できる。
		6週	2.3　結晶とバンド理論 －周期ポテンシャル中の電子－	自由電子論とバンド理論の示すモデルの違いを説明できる。 物質が導体と絶縁体（半導体）に分類される理由を，バンド理論に基づいて説明できる。
		7週	2.4　電気抵抗の原因	電気抵抗が発生するためには，周期ポテンシャルの乱れが必要であることを説明できる。 ポテンシャルの周期性が乱れる要因を，いくつか挙げることができる。
		8週	3．オームの法則の微視的理解（2） 3.1.1　半古典近似と有効質量	半古典近似を導入すると，電子波の波束の中心は，擬似的な運動方程式に従うように見えることを説明できる。半古典近似を導入するうえで，結晶運動量と有効質量の概念が不可欠であることを説明できる。
	4thQ
		9週	3.1.2　半古典近似による電気伝導	物質に対して一定電圧をかけたときに直流電流が生じるための条件が２つ存在することを説明できる：（１）バンドの不完全占有，（２）ブロッホ振動の抑制。 ブロッホ振動を抑制するためには，周期ポテンシャルの乱れが必要であることを説明できる。
		10週	3.1.3　ホール効果と磁気抵抗	ホール係数の値から，キャリアーの符号と数を知ることが出来ることを説明できる。
		11週	3.2.1　非平衡分布が従う方程式 －ボルツマン方程式－	電子ガスが外部電場の影響を受けると，電子ガスの分布関数が，フェルミ分布からずれることを説明できる。 外部電場の影響を取り入れた分布関数は，ボルツマン方程式から求められることを説明できる。
		12週	3.2.2　金属の電気伝導度の表式	外部電場の影響を取り入れた（ボルツマン方程式から得られた）分布関数を用いて，各電子からの電流への寄与の総和を求めると，電気伝導度テンソルが求められることを説明できる。フェルミエネルギーが等方的な場合，2.1で求めた電気伝導度に一致することを説明できる。
		13週	8.4　メゾスコピック系	試料サイズが位相緩和長よりも小さいメゾスコピック系では，コンダクタンスの量子化が生じることを理解できる。
		14週	8.5　量子ホール効果	2次元電子系に対して垂直に磁場をかけると，量子ホール効果というホール抵抗の量子化が生じることを理解できる。
		15週	期末試験問題の解説	期末試験問題の中で解けなかったものを，解くことができるようになる。
		16週

評価割合

	期末試験	合計
総合評価割合	100	100
基礎的能力	100	100
専門的能力	0	0