到達目標
１．シュレディンガー方程式を理解し、固体中の電子の振る舞いを定量的に取り扱うことができる。
２．エネルギバンド構造を理解し、これをもとに半導体の基本的な性質を説明できる。
３．半導体のキャリア密度を計算することができる。
４．電界効果トランジスタの動作原理と特性を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 |
| シュレディンガー方程式 | シュレディンガー方程式を導出でき、井戸形ポテンシャルの問題を解くことができる。 | 簡単な井戸形ポテンシャルの問題が解ける。 | 簡単な井戸形ポテンシャルの問題が解けない。 |
| エネルギバンド構造 | エネルギバンド構造を定量的に説明できる。 | エネルギバンド構造を定性的に説明できる。 | エネルギバンド構造を定性的に説明できない。 |
| 半導体のキャリア密度 | 半導体のキャリア密度の式を導出でき、数値を計算できる。 | 半導体のキャリア密度が計算できる。 | 半導体のキャリア密度を計算できない。 |
| 電界効果トランジスタ | 電界効果トランジスタの構造、特性および動作原理を説明できる。 | 電界効果トランジスタの構造と特性を説明できる。 | バイポーラトランジスタの構想や特性を説明できない。 |
学科の到達目標項目との関係
教育方法等
概要:
電子工学Ⅱでは、シュレディンガー方程式、エネルギバンド構造、半導体のキャリア密度、電界効果トランジスタについて学ぶ。３学年で学習した電子工学Ⅰではやや定性的に扱った項目を、ここでは定量的な取り扱いで行う。また、電子工学Ⅰで取り扱えなかった半導体デバイスである電界効果トランジスタについても学習する。
授業の進め方・方法:
授業方法は講義を中心として進め、適宜演習を行う。３学年で学習した電子工学Ⅰが基礎となるので、必要に応じてこれの復習も行う。また、定期試験ごとに年間で２回の課題の提出を求める。
注意点:
量子力学の初歩的な本を読むことを奨励する。特に啓蒙書の部類は量子力学のイメージをつかむのに適当である。
授業計画
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
ガイダンス |
授業の目標や進め方、必要な知識、成績評価の方法について理解する。
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| 2週 |
電子の粒子性と波動性 |
電子に粒子性と波動性があることを理解する。
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| 3週 |
シュレディンガー方程式１ |
波動性をもつ電子の振る舞いを記述するシュレディンガー方程式を導くことができる。
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| 4週 |
シュレディンガー方程式２ |
一次元の箱の中の電子についてシュレディンガー方程式を解ける。
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| 5週 |
シュレディンガー方程式３ |
三次元の箱の中の電子についてシュレディンガー方程式を解ける。
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| 6週 |
シュレディンガー方程式４ |
三次元の問題で現れたエネルギー準位の縮退とパウリの排他律を理解し、原子の電子配置を説明できる。
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| 7週 |
フェルミエネルギ－ |
固体中のフェルミエネルギーを計算できる。
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| 8週 |
前期中間試験 |
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| 2ndQ |
| 9週 |
状態密度 |
半導体のキャリア密度計算に必要な状態密度を理解する。
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| 10週 |
フェルミ・ディラックの分布関数 |
半導体のキャリア密度計算に必要なフェルミ・ディラックの分布関数を理解する。
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| 11週 |
エネルギーバンド理論１ |
孤立原子からの近似、集団電子からの近似を用いて定性的にエネルギバンド理論を理解する。
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| 12週 |
エネルギーバンド理論２ |
クローニッヒ・ペニーのモデルを用いて半定量的にエネルギバンド理論を理解する。
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| 13週 |
真性半導体のキャリア密度１ |
状態密度とフェルミ・ディラックの運婦関数を用いて、真性半導体のキャリア密度を計算することができる。
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| 14週 |
真性半導体のキャリア密度２ |
真性半導体のキャリア密度の式から、真性半導体のフェルミエネルギやpn積一定の法則を導ける。
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| 15週 |
前期定期試験 |
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| 16週 |
答案返却・解答解説 |
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| 後期 |
| 3rdQ |
| 1週 |
外因性半導体のキャリア密度１ |
外因性半導体のエネルギバンド図を描くことができ、この中にキャリアの発生源を示すことができる。
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| 2週 |
外因性半導体のキャリア密度２ |
外因性半導体のキャリア密度とフェルミエネルギの関係を導くことができる。
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| 3週 |
外因性半導体のキャリア密度３ |
外因性半導体のキャリア密度の温度依存性を説明できる。
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| 4週 |
半導体における電流輸送１ |
熱平衡状態と非平衡状態におけるキャリア密度の変化を説明できる。
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| 5週 |
半導体における電流輸送２ |
過剰キャリアの時間的・空間的変化を数式を用いて説明できる。
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| 6週 |
半導体における電流輸送３ |
キャリアの連続の式を理解できる。
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| 7週 |
半導体における電流輸送４ |
アインシュタインの関係式を理解できる。
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| 8週 |
後期中間試験 |
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| 4thQ |
| 9週 |
pn接合１ |
pn接合のエネルギバンド図を描きことができ、これから整流性を説明できる。
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| 10週 |
pn接合２ |
pn接合のエネルギバンド図から拡散電位や注入された少数キャリア密度を計算できる。
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| 11週 |
pn接合３ |
pn接合に流れる電流を理論的に導くことができる。
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| 12週 |
電界効果トランジスタ１ |
接合形電界効果トランジスタの構造、特性および動作原理を理解できる。
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| 13週 |
電界効果トランジスタ２ |
MOS構造のエネルギバンド図を描くことができ、印加電圧によるエネルギバンドの変化を説明できる。
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| 14週 |
電界効果トランジスタ３ |
MOS形電界効果トランジスタの構造、特性および動作原理を理解できる。
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| 15週 |
後期定期試験 |
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| 16週 |
答案返却・解答解説 |
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評価割合
| 試験 | 発表 | 相互評価 | 態度 | ポートフォリオ | その他 | 合計 |
| 総合評価割合 | 90 | 0 | 0 | 0 | 10 | 0 | 100 |
| 基礎的能力 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 専門的能力 | 90 | 0 | 0 | 0 | 10 | 0 | 100 |
| 分野横断的能力 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |