2019 p (2) 10.1 p n n p p. 69 n p p n n p n p p n electric double layer depletion layer (Wikipedia ) ion implantation µa kev 1 10keV

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ためひとしどり
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1 2019 p (2) 10.1 p n n p p. 69 n p p n n p n p p n electric double layer depletion layer (Wikipedia ) ion implantation µa kev 1 10keV nm 10 nm 1 µm 10 25: pn (Wikipedia )

2019 p. 102 10.1.1 p n p n [ 10 26 (c)] n p p n n p diode, rectification 2 1919 William Henry Eccles di = ode = Wikipedia [ 10 26 (d)] p n p n rectification of p n junction diode Anode (p-type)

2 2019 p p n p n [ (c)] n p p n n p diode, rectification William Henry Eccles di = ode = Wikipedia [ (d)] p n p n rectification of p n junction diode Anode (p-type) Cathode (n-type) n p Semiconductor crystal p n (Wikipedia) (a) (b) (c) (d) 10 26: p-n (a) (b) (c) (d) V [ Boltzmann exp ev k B T I ] e e ev k B T [ ( ) ] ev exp 1 k B T (10 297) Clarence Melvin Zener ( ).., Zener diode,,,,,.

.1.2 東芝セミコンダクター社の製品カタログより p n 接合の増幅作用トランジスタ p n 接合を２つつなげて p n p 接合あるいは n p n 接合を形成したものが接合型トランジスタ bipolar transistor であるトランジスタには接続方法によっていろいろな動作をさせることが可能だがその代表的な例を見てみよう図 10 28 のように電圧をかけて

3 機シ統計熱力学 2019 松本 p. 103 図 10 27: ダイオードの例東芝セミコンダクター社の製品カタログより p n 接合の増幅作用トランジスタ p n 接合を２つつなげて p n p 接合あるいは n p n 接合を形成したものが接合型トランジスタ bipolar transistor であるトランジスタには接続方法によっていろいろな動作をさせることが可能だがその代表的な例を見てみよう図のように電圧をかけて電流を測定してみる電流の総和は一定キルヒホッフの法則だから (10 298) IE = IB + IC である通常のトランジスタでは IB は IE や IC に比べて無視できる程度に小さいので IE IC = I (10 299) と近似するエミッタベース間は順方向ベースコレクタ間は逆方向に接続されているため VC < 0 < VE であるこの状態で VE の微小変化と VC の微小変化の関係を調べてみよう式 (10 297) より I = I0 e exp kb T ( eve kb T ) VE = すなわち VC = exp VE ( I0 e exp kb T VE VC kb T ( evc kb T ) VC (10 300) ) 1 (10 301) トランジスタ transistor は増幅またはスイッチ動作をする半導体素子で長らく近代の電子工学における主力素子であった変化する抵抗を通じての信号変換器 transfer of a signal through a varister または transit resistor からの造語と言われる真空管を球と呼んだことに呼応してトランジスタを石と呼ぶことがあるたとえばトランジスタラジオなどでは使用しているトランジスタの数を数えて 6 石ラジオ 6 つのトランジスタを使ったラジオのように言う場合がある Wikipedia より 1948 年米国 AT&T ベル研究所の Walter Houser Brattain ( ) John Bardeen ( ) William Bradford Shockley ( ) により最初のトランジスタが発明されたとされ 1956 年にノーベル物理学賞が贈られたが彼らより半年ほど早く NHK 技術研究所の内田秀男らが同等の増幅作用を発見していたという説もあるバイポーラ bipolar とは電子ホールの両方をキャリアに使うことを意味するここでは取り上げないが電子かホールかどちらかだけをキャリアとする電界効果トランジスタ field eﬀect transistor, FET はユニポーラー unipolar と呼ばれる

unit) 2 1 0-1 -2-3 -2-1 0 1 2 3 E (arbtrary unit) Base (n-type) Collector

(p-type) Emittor (n-type) n-p-n type amplification by transistor 10 28 IC =

4 2019 p IE Emittor (p) VE Base (n) IB Collector (p) VC IC I (arbitrary unit) E (arbtrary unit) Base (n-type) Collector (p-type) Emittor (p-type) Collector (n-type) p-n-p type 10 28: p n p Base (p-type) Emittor (n-type) n-p-n type amplification by transistor IC = Integrated Circuit LSI = Large Scale Integrated circuit VLSI = Very Large Scale Integrated circuit (Wikipedia) p n n p

htm - 20 20 AT&T, 1947 (Bill Shockley) (Walter

56 1959 (IC)= IC 59 1960 MOS FET (E) (C) (B)

5 2019 p AT&T, 1947 (Bill Shockley) (Walter Brattain) (John Bardeen) (field Effect) ( FET) (IC)= IC MOS FET (E) (C) (B) E(emitter) C(collector) "transfer+resistor " MOSFET:MOS FET MOS FET

6 2019 p. 106

7 機シ統計熱力学 2019 松本 p 半導体による光電変換光電力 p n 接合に負荷抵抗をつけてバンドギャップ以上のエネルギーを持つフォトンを照射すると励起された電子の一部を電流として取り出すことができるこれは光起電効果 photovoltaic eﬀect の一例であり太陽電池 solar cell などへの応用が盛んに行われている参考太陽電池について

8 2019 p j/press release/pr2008/pr /pr html

9 機シ統計熱力学 2019 松本 p. 109 参考最近の話題からさまざまなタイプの太陽電池朝日新聞 2010 年 6 月 29 日朝刊より

2019 p. 110 10.2.2 p n n p light emitting diode, LED 10 29: LED (Wikipedia ) Table 9 5 (p.

6 10 19 J = 8 10 7 m 11 stimulated emission semiconductor laser laser diode CD DVD

10 2019 p p n n p light emitting diode, LED 10 29: LED (Wikipedia ) Table 9 5 (p. 93) vs. LED GaAs 1.52eV 1.52eV E = hν λ = c ν = ch E = m/s Js J = m 11 stimulated emission semiconductor laser laser diode CD DVD Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER ( ). 1mW (Wikipedia )

11 2019 p. 111 ( ) CD ( )

12 2019 p n Thomas Johann Seebeck ( ) Seebeck effect thermocouple thermoelectric conversion element TLow THigh Diffusion Chemical Potential Fermi Level 10 30:

逆に同程度の熱エネルギーを周囲に放出することになる結局金属半導体接合に電流を流すと電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱することになるこれはペルチェ効果 Jean Charles Athanase Peltier (1785 1845) フランスの物理学者 Peltier eﬀect として知られている応用例として CPU の冷却等に使われているペルチェ素子がある I Fermi

モジュールは熱電半導体を利用したヒートポンプの一種で利用する物理現象は図 1 のようなものですすなわち P 型素子と N 型素子とからなる熱電半導体を金属電極で接合したπ型直列回路 P,N 対 (couple) の N P の方向に電流を流すとペルチエ効果によってπ型の上部で吸熱下部で発熱が起こり熱が上部から下部へ向かってポンピングされますこの現象は以

余ったエネルギーを周りの結晶格子に与えて格子の振動エネルギーが増加しこの結果温度が上昇するわけですペルチエ効果による低温側の吸熱量は流す電流に比例して増加しますが内部抵抗によるジュール熱が電流の 2 乗に比例して増加するので低温側と高温側の温度差を一定にしたとき最大の吸熱量を示す最大の電流値が存在しますこの電流値より大きい電流を流すと吸熱量はかえって減少します吸熱 N

ポンプレーザー受光素子ＡＰＤ図1 熱電冷却加熱の原理クーリングプレートサーキュレータケミカルサーキュレータ恒温湿エアー供給装置吸熱冷却 Qc 電流 I 金属電極端子電圧 V 熱電素子電流 I セラミック板 Qh レーザーパッケージヒートタンク発熱加熱センサー図2 1段モジュール図3 多段モジュールウエハ冷却プレート理科学機器その他赤外線検出器

吸熱能力を与える必要がありますこのため多段モジュールは一般にピラミット型になります温度差を大きくすると多段モジュールの吸熱量は小さくなるので雰囲気の熱伝導対流の影響を除くため通常は真空容器が使われます -100 程度の低温になると周辺の物体からの輻射が大きく影響するので輻射シールドなど容器に工夫が必要です 10.

13 機シ統計熱力学 2019 松本 p 電力熱 n 型半導体を金属と接合して電流を流してみる (図 10 31) このとき両者のフェルミ準位は等しい電子が金属から半導体に流れ込む場合にはフェルミ準位近傍の電子は Ec µ 程度の運動エネルギーを余分にもらう必要があるすなわち周囲から Ec µ 程度の熱エネルギーを奪うことで電流が流れる電子が半導体から金属に流れ出す場合は逆に同程度の熱エネルギーを周囲に放出することになる結局金属半導体接合に電流を流すと電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱することになるこれはペルチェ効果 Jean Charles Athanase Peltier ( ) フランスの物理学者 Peltier eﬀect として知られている応用例として CPU の冷却等に使われているペルチェ素子がある I Fermi Level Metal n-type semiconductor 図 10 31: ペルチェ効果の概念図金属中の電子は周囲から熱エネルギーを奪って半導体側の少し準位の高い伝導帯に移動するペルチェ素子の例小松エレクトロニクス株の製品カタログからサーモモジュールの応用冷却加熱の原理とサーモモジュールの構成冷却加熱の原理サーモモジュールは熱電半導体を利用したヒートポンプの一種で利用する物理現象は図 1 のようなものですすなわち P 型素子と N 型素子とからなる熱電半導体を金属電極で接合したπ型直列回路 P,N 対 (couple) の N P の方向に電流を流すとペルチエ効果によってπ型の上部で吸熱下部で発熱が起こり熱が上部から下部へ向かってポンピングされますこの現象は以下のように説明されますすなわち電子が P N 方向電流は N P 方向に流れるπ型の上部では電子はエネルギーレベルの低い状態から高い状態へと移行するので周りの結晶格子の振動エネルギーを吸収しこの結果温度が低下します逆に電子が N P 方向に流れるπ型の下部では低温側でエネルギーを吸収した電子はエネルギーレベルの高いところから低いところへ移行するので余ったエネルギーを周りの結晶格子に与えて格子の振動エネルギーが増加しこの結果温度が上昇するわけですペルチエ効果による低温側の吸熱量は流す電流に比例して増加しますが内部抵抗によるジュール熱が電流の 2 乗に比例して増加するので低温側と高温側の温度差を一定にしたとき最大の吸熱量を示す最大の電流値が存在しますこの電流値より大きい電流を流すと吸熱量はかえって減少します吸熱 N 型素子 P 型素子発熱多段モジュール発熱光通信部品利点精密な温度制御ができる電流方向の切替で冷却加熱ができる静かである小型軽量であるどんな方向にでも使える局部的冷却ができる振動衝撃に強いフロンガス等の冷却媒体を使わないフロン規制を受けない温度応答が非常に速いメンテナンス不要長寿命で信頼性が高い半導体プロセス機器トランスミッター用レーザー EDFA ポンプレーザー受光素子ＡＰＤ図1 熱電冷却加熱の原理クーリングプレートサーキュレータケミカルサーキュレータ恒温湿エアー供給装置吸熱冷却 Qc 電流 I 金属電極端子電圧 V 熱電素子電流 I セラミック板 Qh レーザーパッケージヒートタンク発熱加熱センサー図2 1段モジュール図3 多段モジュールウエハ冷却プレート理科学機器その他赤外線検出器光電子増倍管高感度ＣＣＤ高温側を27 とすると 1 段モジュールの低温側と高温側との最大温度差は 68 程度ですが多段モジュールではより大きい温度差を得ることができ図 3 の 5 段モジュールの最大温度差は 123 となりますいずれも真空中の温度差しかし多段モジュールでは上部段の発熱を下部段で吸収しかつ温度差を得る必要があるので相対的に下部段により大きい吸熱能力を与える必要がありますこのため多段モジュールは一般にピラミット型になります温度差を大きくすると多段モジュールの吸熱量は小さくなるので雰囲気の熱伝導対流の影響を除くため通常は真空容器が使われます -100 程度の低温になると周辺の物体からの輻射が大きく影響するので輻射シールドなど容器に工夫が必要です 10.4 サーモモジュールの利点特長可動部分が無い固体装置である応用例電流 1段モジュールサーモモジュールは通常数個から数十個多い場合は 100 個以上の素子対を図 2 のようにセラミック板の間に挟んで直列回路に接続して作られていますモジュールの吸熱発熱能力は対数に比例して大きくなりますモジュールの高温側には低温側から流入する熱低温側の熱負荷に加えてモジュール内部で消費される電力に相当する熱の合計量を放散させるためのヒートシンクが必要ですヒートシンクとしては空冷フィンや水冷プレートが使われますまた低温側高温側双方のセラミック板は熱負荷とヒートシンクに対して熱伝導的に良好な接合をする必要があります金属電極サーモモジュールが本来持っている特長は小型の固体装置で電流を流すだけで簡単に冷却加熱が精密に制御できその温度範囲もマイナス 100 からプラス 100 までとかなり広く適切に使用すれば信頼性が非常に高いことですしたがってこれらの特長を生かすことのできる応用は数多く考えられ今日では非常に広範な分野に使われております特に精密な温度制御が不可欠である半導体プロセス温調機器への応用や光通信の半導体レーザーの温調への応用は代表的な例ですこのほか下記に示す非常に多くの応用例があります恒温槽除湿器保冷庫赤外線センサーこの章のまとめドープされた半導体中の電子やホールの挙動を制御することで整流作用増幅作用その他さまざまな機能をもつ固体素子をつくることができる恒温プレート遺伝子増幅装置恒温プレート

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Microsoft PowerPoint - アナログ電子回路3回目.pptx アナログ電回路 3-1 電気回路で考える素 ( 能動素 ) 抵抗コイルコンデンサ v v v 3-2 理学部材料機能学科岩素顕 iwaya@meijo-u.ac.jp トランジスタトランジスタとは? トランジスタの基本的な動作は? バイポーラトランジスタ JFET MOFET ( エンハンスメント型デプレッション型 ) i R i L i C v Ri di v L dt i C