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zoom RSS テーマ「半導体」のブログ記事

みんなの「半導体」ブログ

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屈折率変化を利用した光変調
屈折率変化を利用した光変調  前回まで半導体の光吸収特性の変化を利用した光変調素子について紹介してきました。これ以外の原理を使った光変調としては、屈折率の変化を使ったものがあります。こちらは半導体よりもむしろ誘電体、とくに強誘電体を使った素子が長く研究され一部実用化したものもあります。 ...続きを見る

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2017/04/30 17:20
フランツ−ケルディッシュ効果
フランツ−ケルディッシュ効果  電界によって光の吸収端が変化する効果として量子閉じ込めシュタルク効果より前から知られていたフランツ−ケルディッシュ効果を取り上げます。 ...続きを見る

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2017/04/23 19:50
量子エネルギーの電界による変化
量子エネルギーの電界による変化  前回まで長々と摂動法の説明をした目的は量子閉じ込めシュタルク効果で量子準位がどのように変化するかを近似的に解析するためでした。今回は実際に計算をしてみます。 ...続きを見る

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2017/04/16 12:44
量子閉じ込めシュタルク効果
量子閉じ込めシュタルク効果  前回紹介した電界吸収型光変調器では電界印加によって光吸収率が変化する層が使われています。この層は量子井戸層ですが、量子井戸は層に垂直方向に電界を印加することによって光吸収特性が変化する性質があります。この現象を引き起こしているのが、「量子閉じ込めシュタルク効果」と呼ばれる効果です。 ...続きを見る

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2016/12/30 19:27
電界吸収型光変調素子
電界吸収型光変調素子  前回、近年半導体を用いた実用的な光変調素子が登場したと言いましたが、これが今回取り上げる電界吸収型光変調素子です。 ...続きを見る

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2016/10/31 21:27
光変調素子
光変調素子  つぎは光変調素子を取り上げてみます。この光変調素子は一般の半導体デバイスの教科書にはあまり取り上げられていません。その理由は後で触れることにして、まずは光変調素子の概要をみておきましょう。 ...続きを見る

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2016/09/25 15:45
負性抵抗素子(まとめ)
負性抵抗素子(まとめ)  前回までで基本的な負性抵抗素子の紹介は一通り終わりましたので、全体的なまとめをしておきます。 ...続きを見る

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2016/08/09 21:22
その他の負性抵抗素子(その3:ユニジャンクショントランジスタ)
その他の負性抵抗素子(その3:ユニジャンクショントランジスタ)  もう一つ、負性抵抗素子を取り上げておきます。ユニジャンクショントランジスタがそれですが、ちょっと意表を衝いたような一風変わった素子です。 ...続きを見る

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2016/08/01 21:26
その他の負性抵抗素子(その2:ガンダイオード)
その他の負性抵抗素子(その2:ガンダイオード)  もう一つの動的負性抵抗素子としてガンダイオードが知られています。この素子はこれまで紹介してきた素子と違って、接合をもたない素子です。そのため、バルク効果素子という分類をされることもあります。バルク効果というのは言い換えれば半導体物性そのものということです。まずその基礎について考えます。 ...続きを見る

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2016/07/26 21:18
その他の負性抵抗素子(その1、インパットダイオード)
その他の負性抵抗素子(その1、インパットダイオード)  これまで代表的な負性抵抗素子としてトンネルダイオードとpnpn構造素子を紹介してきましたが、これ以外にも負性抵抗を生じる素子があります。上記2つに比べると少し特殊なものになりますが、以下3つほど紹介します。 ...続きを見る

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2016/07/11 21:38
トライアック
トライアック  サイリスタの機能を利用すれば、以前にも説明したように、交流電圧をアノード−カソード間にかけてゲート電圧を調整すれば、正弦波波形の一部を切り取った波形の電流を得ることができます。これによって変圧器などを使わずに交流のまま消費電力を調整できることになります。 ...続きを見る

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2016/07/03 21:44
ゲートターンオフサイリスタ
ゲートターンオフサイリスタ  pnpn構造素子にはいろいろな変形があります。全体を網羅するのは難しく、またあまり意味もないと思いますので、主な素子を二三紹介することにします。 ...続きを見る

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2016/06/29 21:19
有機ELと化合物半導体LED
有機ELと化合物半導体LED  前回はイーストマンコダック社によって提案された有機ELについて、その概要を紹介しました。その後、これをベースに多くの機関によって改良研究が行われ、現在の有機ELに至っています。 ...続きを見る

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2014/09/08 21:11
電界発光素子
電界発光素子  前回紹介したように、最初に電界発光が確認されたのは液体中に蛍光体粒子を分散した発光層でした。しかし液体を使うのは何といっても不便ですから、すべてを固体化しようという考えは自然の流れです。間もなく固体層中に蛍光体粒子を分散した素子が開発されました。これを分散型電界発光素子と呼びます。 ...続きを見る

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2014/07/28 21:15
発光ダイオードを作る方法(基板の問題)
発光ダイオードを作る方法(基板の問題)  前回、発光ダイオードを作る手順について紹介しました。その第一段階は、 「発光層などの半導体の積層構造を基板上に作る」 ことでした。ここでいう「発光層などの半導体の積層構造」は高い効率で発光を起こさせるために欠陥の少ない結晶層であることが求められます。 ...続きを見る

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2014/07/13 16:38
発光ダイオードを作る方法(標準的な手順)
発光ダイオードを作る方法(標準的な手順)  発光ダイオードの製造方法については折に触れて紹介してきましたが、全体を通しての工程(プロセス)については説明する機会がなかったようです。今回はその辺りに触れておきます。 ...続きを見る

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2014/07/06 20:04
変圧回路(その1)
変圧回路(その1)  駆動回路に関する最後のトピックスとして変圧回路を取り上げます。ここでいう変圧回路とは電源電圧を発光ダイオードの駆動に適した電圧に変換する回路のことです。 ...続きを見る

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2014/06/01 11:12
輝度調整回路
輝度調整回路  パルス駆動の2つ目の応用例として輝度調整回路を取り上げます。発光ダイオードの駆動回路では、電流制限抵抗を変化すれば、発光ダイオードに流れる電流を変化させることができ、発光ダイオードの発光強度(輝度)が変えられます。そう考えると、パルス駆動との関係がどこにあるのか疑問になるかもしれません。 ...続きを見る

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2014/05/11 20:36
マトリックス駆動
マトリックス駆動  前回、発光ダイオードをパルス駆動する場合に使う基本回路を紹介しました。今回と次回はこのパルス駆動の応用例を紹介します。今回は発光ダイオードを用いたディスプレイです。 ...続きを見る

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2014/05/05 13:13
パルス駆動
パルス駆動  発光ダイオードは長時間点灯したままで使うこともありますが、多くの応用ではむしろ短い時間間隔で断続的に点灯させて使われています。町中で点滅するイルミネーションもこの例ですが、多数の発光ダイオードを使って文字や画像を表示するLEDディスプレイでは個々の発光ダイオードを信号にしたがってオンオフするように駆動します。 ...続きを見る

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2014/04/29 20:58
発光ダイオードの駆動回路(その3:定電流回路のつづき)
発光ダイオードの駆動回路(その3:定電流回路のつづき)  前回の最後に抵抗を定電圧ダイオードに置き換えた定電流回路を紹介しました。今回はさらにその変形版を紹介しましょう。 ...続きを見る

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2014/04/13 20:47
発光ダイオードの駆動回路(その2:定電流回路)
発光ダイオードの駆動回路(その2:定電流回路)  前回紹介した基本的な駆動回路では抵抗器を発光ダイオードと直列に接続しています。このとき電源電圧Vと発光ダイオードを流れる電流Iの関係は、前回も掲げた通り    (1) となります。ここでRは抵抗器の抵抗値、Vfは発光ダイオードの順方向電圧です。 ...続きを見る

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2014/03/20 22:01
発光ダイオードの駆動回路(その1:基本回路)
発光ダイオードの駆動回路(その1:基本回路)  電子部品としての発光ダイオードを手にしても、それを光らせるためには外部に電気回路を用意しなければなりません。その回路にはやはり発光ダイオード特有の考え方があります。以後数回にわたってそれを紹介してみましょう。 ...続きを見る

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2014/03/11 21:43
静電気破壊対策(パッケージ)
静電気破壊対策(パッケージ)  発光ダイオードの故障原因の大きな割合を占めるのが、静電気放電であるとされています。以前に素子構造の工夫による静電気破壊対策に触れました。しかし素子構造に手を加えなければならないという難点があり、またその効果にも限界がありそうです。 ...続きを見る

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2014/02/23 22:09
放熱と冷却
放熱と冷却  発光ダイオードの接合温度を上昇させないために、まずはパッケージから外部へ熱がよく逃げるようにする必要があります。そのためには前回紹介したようにチップから外界に至る熱伝導経路の熱抵抗をできるだけ小さくすることが必要です。 ...続きを見る

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2014/02/16 17:39
熱抵抗
熱抵抗  発光ダイオードパッケージには発光ダイオードが発生する熱を吸収し、外界へ逃がすという重要な役割があります。発光ダイオードは白熱電球などに比べたらその発熱は少ないのですが、最近は照明などの用途でますます強い光を出すことが求められていて、そうなると発熱は無視できなくなります。 ...続きを見る

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2014/02/10 21:22
光学要素(その2、光路変換素子)
光学要素(その2、光路変換素子)   前回のコリメータの中にも反射面を使って光路を折り曲げている例がありましたが、今回取り上げるのは、このような光路を折り曲げる光学素子です。これを光路変換素子と呼ぶのが一般的かどうかはわかりません。偏向素子という言い方もあるかと思います。 ...続きを見る

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2014/02/02 16:30
光学要素(その1.コリメータ)
光学要素(その1.コリメータ)  発光ダイオードは人の眼からみれば非常に小さく、ほぼ点光源とみなせ、1点からあらゆる方向に広がる光を出します。実際の光源としては一つの方向に光を取り出したいことが多いので、例えば反射体など何らかの光学要素を組み合わせて出射光を得る場合が多くなります。 ...続きを見る

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2014/01/26 20:36
チップの封止技術(方法)
チップの封止技術(方法)  発光ダイオードのチップを封止するには主として透明な樹脂が使われますが、どのような方法でチップを覆うのか、その方法についてまとめてみます。主な方法はつぎの3種類です。 ...続きを見る

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2014/01/19 17:20
チップの封止技術(材料)
チップの封止技術(材料)   発光ダイオードをパッケージに収める手順はいろいろありますが、もっとも普通にはまず半導体チップを固定するダイボンドを行い、つぎにチップに給電するための電気配線をワイヤボンドなどによって行います。そのつぎに何をするかというとチップの封止です。 ...続きを見る

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2014/01/13 11:00
フリップチップボンド
フリップチップボンド  フリップチップボンドは半導体チップへ電気接続をする方法の一つです。この方法は半導体チップを固定するダイボンドの役割も兼ねているところがワイヤボンドとは異なります。 ...続きを見る

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2013/12/22 21:11
ワイヤボンド
ワイヤボンド  半導体デバイスは電流を供給するために外部と電気接続をする必要があります。そのための有力な方法がワイヤボンドです。原理的には単に電線(ワイヤ)を使ってつなぐ方法です。 ...続きを見る

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2013/12/15 17:51
リードフレーム
リードフレーム  ダイボンドの話の角度を少し変えて、半導体チップを接着する相手方の部材の一つであるリードフレームを取り上げてみます。 ...続きを見る

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2013/12/01 19:50
ダイボンド工程
ダイボンド工程  半導体デバイスが作り込まれた半導体の小片のことをチップまたはダイと言います。半導体デバイスのパッケージを形成するためにはまずこのチップまたはダイを台の上にしっかり固定しなければなりません。この工程のことをダイボンドまたはダイボンディングと言います(チップボンドという語は使いません)。 ...続きを見る

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2013/11/17 19:28
ダイボンド用接着部材−はんだ
ダイボンド用接着部材−はんだ   半導体チップをパッケージ内に接着固定することをダイボンド(ダイボンディング)と言います。発光ダイオードに限らず、半導体デバイスをパッケージに収めるためには必須の工程です。 ...続きを見る

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2013/11/04 16:08
半導体チップの固定と電気接続
半導体チップの固定と電気接続  パッケージになくてはならない機能には、半導体チップを固定する機能と電気接続をする機能があります。この2つの機能は別々に独立している場合と両方を兼ねている場合があります。 ...続きを見る

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2013/10/27 17:14
発光ダイオードのパッケージ
発光ダイオードのパッケージ   発光ダイオードに限らず半導体デバイスは小さな半導体チップ(ダイとかペレットとか言うこともある)からなり、それに電気的な接続をして動作させます。空気中でも動作させることはできますが、何かが触れると電気的接続が切れてしまったり、水や埃が落ちれば壊れてしまうこともあります。長く安定して動作させるためには容器(パッケージ)のなかに入れて、外部からの接触を避け、水や埃を避ける方が望ましいのです。 ...続きを見る

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2013/10/20 21:22
ダークライン欠陥
ダークライン欠陥   半導体層そのものの劣化が発光ダイオードの信頼性を損ねる原因となる例をもうひとつだけあげておきます。それは結晶欠陥による発光素子の劣化です。 ...続きを見る

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2013/10/13 21:38
不純物原子の移動
不純物原子の移動  発光ダイオードの信頼性を損ねる原因として電極の金属元素が移動する現象を取り上げましたが、これ以外にも半導体中を原子が移動することに原因する特性劣化現象があります。 ...続きを見る

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2013/09/29 19:15
金属のマイグレーションの防止
金属のマイグレーションの防止  今回の話題に入る前に、前回記事に一部追記をしましたことをお知らせしておきます。図Cとその説明の部分です。 ...続きを見る

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2013/09/15 19:32
静電破壊防止用中間層
静電破壊防止用中間層  前回で静電破壊については終わりにするつもりでしたが、書き落としたトピックスがあったので、今回もう少し続けます。 ...続きを見る

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2013/09/08 20:30
静電気破壊対策
静電気破壊対策   発光ダイオードの寿命を確保するために静電気による破壊に対する耐性は非常に重要です。照明器具や信号灯などの製品では外部回路に保護素子を入れるなどの対策がとられるのが一般的ですが、パッケージなどLED素子の外側でとられる対策には後に触れることにし、ここではLED素子そのものへの対策を取り上げます。 ...続きを見る

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2013/08/25 21:47
静電気破壊の理論モデル
静電気破壊の理論モデル   静電気放電によって接合が破壊されるとき、何が起こっているのかについての理論モデルを今回は取り上げます。 ...続きを見る

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2013/08/18 16:02
静電気放電
静電気放電  LEDは正常に使う限り大変寿命が長いのが特徴ですが、通常でない高い逆電圧や大きな電流が例え瞬時に加わると極めて弱いとされています。非常に短い時間でも過大な電圧、電流(サージ電圧、電流と言うことがあります)で接合が破壊されやすいからです。例えば屋外で使う信号機などでは雷によるサージ電圧、電流にさらされる恐れがあります。雷は巨大な放電ですから、直接の落雷でなくても誘導によって電源ラインなどに高電圧パルスが発生し、これがLEDにかかってしまう恐れがあります。 ...続きを見る

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2013/07/28 20:57
発光ダイオードの故障
発光ダイオードの故障  発光ダイオード(LED)はどんなときに故障するのでしょうか。まずはやってはいけない大電流を流してしまったとか、高電圧をかけてしまったとか、あるいは異常に高い温度にしてしまったとか、取り扱い上に問題が考えられます。やっていいか悪いかは各素子の規格で決められていますから、その範囲を越えてしまうのは使用者の誤りです。 ...続きを見る

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2013/07/21 16:14
平均寿命の推定
平均寿命の推定  ワイブル分布のパラメータmを求める方法を前回説明しましたが、これだけでは肝心の製品の寿命を推定したことにはなりません。今回は得られたデータから寿命を推定する方法について説明します。 ...続きを見る

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2013/07/15 10:27
故障と寿命試験
故障と寿命試験  LEDの寿命とは故障が起こるまでの時間を意味しますが、それではどんな場合にLEDが故障したと判断するでしょうか。もっとも単純に考えれば点灯しなくなったときです。でも点灯はしているものの非常に暗くなってしまったなどという場合もあるかも知れません。点灯はしていても、もう使用できないような状態なら、これも故障に入れなければならないでしょう。故障か否かの判断はこのように意外に難しいものです。 ...続きを見る

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2013/06/16 12:12
LEDの寿命
LEDの寿命  LEDを光源に使った照明器具は白熱電球や蛍光灯に置き換わりつつありますが、その最大の理由は省エネルギー性でしょう。同じ明るさを得るのに必要な消費電力は1/4くらいで済みます。 ...続きを見る

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2013/06/02 20:03
色をつくる
色をつくる  前回まで発光ダイオードの材料の選択について紹介してきましたが、現在では赤外光、可視光全域そして紫外光の発光が実用的な発光ダイオードとして可能になっています。 ...続きを見る

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2012/09/26 00:09
材料選択範囲の拡大手段(その3)
材料選択範囲の拡大手段(その3)   前回、間接遷移型半導体であるGaPを発光させる手段としてアイソエレクトロニック・トラップを紹介しましたが、今回はさらに別の手段を取り上げます。この手段は超格子の性質を利用するもので、1990年代になってから提案されたゾーン・フォールディング効果と呼ばれるものです。 ...続きを見る

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2012/09/17 11:13
材料選択範囲の拡大手段(その2)
 前回は基板と格子定数が違う材料は発光層として使えないという障害を克服する方法を紹介しました。今回はもう一つの障害となっている間接遷移型の半導体を利用できるようにする方法を紹介します。 ...続きを見る

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2012/09/09 20:26
材料選択範囲の拡大手段(その1)
 前回までの話では発光ダイオードの発光層の材料は直接遷移型でかつ基板と格子整合する必要があるということになります。しかしこの制限はかなり厳しく、この範囲だけで材料を選ぶと、その範囲は非常に限られてしまいます。 ...続きを見る

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2012/09/03 23:12
発光ダイオード材料の選定(つづき)
 前回、AlGaInAs系、InGaAsP系、AlGaInP系の3種類の混晶系について、直接遷移、間接遷移の範囲を見ました。この他、重要な混晶系としては窒素を5族元素とするAlGaInN系があります。この系はすべての組成範囲で直接遷移型となりますので、前回触れませんでした。 ...続きを見る

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2012/08/26 22:55
発光ダイオード材料の選定
 前回、AlGaAsを例にあげて直接遷移から間接遷移への移り変わりの微妙さについて説明しました。今回はもう少し具体例を並べてみたいと思います。 ...続きを見る

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2012/08/20 17:00
発光層に適した材料とは
 LEDの発光波長(発光色)は発光層の材料のバンドギャップエネルギーによって決まります。ところが希望する発光色に相当するバンドギャップエネルギーをもつ材料を選びそれを発光層とするLEDを作ったとしても、うまく発光してくれるとは限りません。 ...続きを見る

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2012/08/12 19:22
発光波長
 今回からLEDの発光波長の話に移ります。LEDの発光は可視光全域とその両外側の赤外、紫外域にわたり、今や発光できない波長域はほとんどなくなりました。実用的に使われる発光層の半導体材料もほぼ固まってきました。 ...続きを見る

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2012/07/23 07:44
表面凹凸
 LEDの発光層で発光した光が電極などで遮られるのを防ぐ手立てをいろいろ紹介しましたが、遮るものがない部分から光が素子の外へ出るときにも問題があります。 ...続きを見る

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2012/07/15 21:02
透光性電極
 前回の最後に触れましたが、電極によって光が遮られLEDからの光の取り出し量が減ってしまう問題は、電極そのものを透明にするのがもっとも直接的な解決手段でしょう。しかしこれにもいろいろ問題があり、無条件に採用できるわけではありません。そこで今回は透光性電極について取り上げます。 ...続きを見る

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2012/07/01 19:44
電極と窓層
 前回、電極を反射層として使う例を取り上げましたが、このような反射性の電極は光を通さないということでもあります。これがLEDもとっては問題になります。電極によって素子から出ようとする光の一部が遮られることになってしまうからです。 ...続きを見る

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2012/06/24 19:29
共振型発光ダイオード
 LEDの層構造のなかに反射層を設けて光出力を向上させるという前回のテーマとのつながりで、少し特殊過ぎるかも知れませんが、今回は共振型LEDを取り上げます。 ...続きを見る

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2012/06/17 21:53
反射構造
 ここまでは半導体の発光層をできるだけ少ない電流で強く光らせるにはどういう手段があるかという話をしてきました。ところが実際の発光素子では発光層が光ってもその光のかなりの部分が無駄になっていることがあります。この無駄をなくす工夫もいろいろなされていますので、以下その代表的なものを紹介していきます。 ...続きを見る

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2012/06/10 20:54
多重量子井戸発光層
 発光ダイオードを動作させるためには電流を流さなければなりませんが、その電流は小さいに越したことはありません。電池で動作させている機器では大きな電流が必要な素子は使えません。また大きな電流を流していると素子そのものだけでなく、それ以外の周辺の回路からも熱が発生し装置の温度が上がり故障を引き起こしやすくなります。 ...続きを見る

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2012/06/03 19:17
発光ダイオードの発明
 LEDをいつ、誰が発明したかを明言するのはなかなか難しいようです。これは以下のように「・・・という意味では」という但し書きが必要で無条件に特定するのは難しいという意味です。そういうこともあって手元にある教科書のような類の文献にはほとんど発明の経緯は書かれていません。ネット上を探してみると、英語版のWikipediaに参考になる記述がありました(http://en.wikipedia.org/wiki/LED)。そこでこれを頼りにLEDの発明を跡づけてみます。 ...続きを見る

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2012/05/27 20:44
ダブルヘテロ接合
 ダブルヘテロ接合とはヘテロ接合が二重になっていることを意味します。GaAsとAlGaAsのヘテロ接合を例にとれば、AlGaAs/GaAs/AlGaAsとかGaAs/AlGaAs/GaAsというふうに積層するとヘテロ接合が二重になるのでこれがダブルヘテロ接合になります。 ...続きを見る

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2012/05/13 16:16
ヘテロ接合
 LEDの第1の課題である高輝度化のために採用された素子構造はいろいろありますが、もっとも基本的なものは発光層の構造です。今回の内容はこのブログの初期の頃に書いたものと重複しますが、話の進め方の都合上、もう一度記しておきます。 ...続きを見る

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2012/05/06 20:08
発光ダイオードの技術課題
 ここ数年で発光ダイオード(LED)を使った照明器具は急速に普及してきました。このことはLEDの多くの技術課題が解決されたことを意味します。これまで取り組まれてきたこのような技術課題を整理すると、それがLEDを形作っている要素技術になると考えられます。今後このような要素技術を一つ一つ取り上げて行きたいので、まずはそれらを整理します。 ...続きを見る

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2012/04/29 21:41
発光ダイオードの原理
 発光ダイオードは基本的には単純な半導体pn接合からできています。このpn接合のp側とn側の半導体にそれぞれ電極を着けてあります。この電極に電源をつないでpn接合に電流を流すと発光が起きます。 ...続きを見る

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2012/04/22 20:04
発光ダイオード再び
 予告しましたように発光ダイオードを再度取り上げます。当ブログで最初に扱った発光ダイオードより広く全般にわたって話題にしていくつもりです。 ...続きを見る

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2012/04/15 20:54
MOSFETによる増幅
 MOSFETがバイポーラトランジスタと決定的に違う点は、端子の一つであるゲート電極に電流が流れないことです。そのためバイポーラトランジスタのような電流増幅率が定義できません。 ...続きを見る

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2012/04/08 19:18
MOSFETのドレイン電流特性
 MOSFETの動作原理についてはすでに説明しているので、詳細は繰り返しません(http://denkou.cdx.jp/Ele/E1/EF1_1.html 参照)。要は前回までに紹介したMOSダイオードの動作によって半導体表面が空乏状態になったり反転状態になったりするのを利用します。ただしMOSダイオードは間に絶縁体が挟まっているので電流を流すことはできません。そこで横方向つまり半導体表面に平行な方向に電流を流すようにします。以下ではこの電流の式を導きます。 ...続きを見る

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2012/04/01 20:44
実際のMOS容量
 これまでの説明でははっきりと断っていませんでしたが、非常に理想化したものでした。ショットキー接触で扱ったように金属と半導体には通常、仕事関数差がありますが、これも無視してきました。また絶縁体層も絶縁体と半導体の界面も理想的な状態とし、そこにはキャリア以外の電荷はまったく無いとしてきました。今回は実際のMOS構造がどうなっているかを検討します。 ...続きを見る

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2012/03/18 21:15
容量−電圧特性
 前回、金属−絶縁体−半導体構造の半導体表面の電荷Qsとψsの関係を求めました。この表面の電荷の状態が実際にどうなっているかを知るにはどうしたらよいでしょうか。 ...続きを見る

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2012/03/06 21:25
金属−絶縁体−半導体構造の電荷分布
 前回MOS構造では外部電圧によって半導体のバンドの曲がりの状態が種々変わることを説明しました。今回はこれを解析します。 ...続きを見る

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2012/03/01 21:26
金属−絶縁体−半導体構造
 ここまで半導体同士が接合した場合、金属と半導体が接触した場合を順に考えてきましたが、今回から金属と半導体の間に絶縁体が挟まった構造を取り上げます。金属−絶縁体−半導体構造はMOS構造といった方が通りが良いかも知れません。 ...続きを見る

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2012/02/19 17:18
ショットキー障壁の高さ
 ショットキー接触はショットキーバリアダイオードとかMESFETなどには積極的に活用されますが、それ以外はむしろ障壁が小さく整流性のない電極(オーミック電極)が求められます。いずれにしてもショットキー障壁の高さの設定については金属電極の材料選択が重要になります。 ...続きを見る

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2012/02/05 20:07
熱電子放出理論
 前回、電子の拡散に基づいてショットキー障壁を流れる電流の式を導きました。ところがアメリカの物理学者ベーテ(Hans A. Bethe)はこの考えに異論を唱えました。ショットキー障壁を乗り越えて流れる電子は障壁のところでほとんど衝突したりせずに通過します。拡散現象は多くの電子の衝突を基にしているので、このような理論は適切ではないというわけです。 ...続きを見る

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2012/01/29 20:44
ショットキー障壁
 金属−半導体接触によってできる障壁はスイス出身(主な研究活動はドイツ)の物理学者ショットキーの業績に因んでショットキー障壁(バリア)と呼ばれています。このショットキーによる理論は「半導体の理論と応用」にも紹介されていますが、以下に説明します。 ...続きを見る

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2012/01/23 00:08
金属−半導体接触
 これまで半導体同士が接合した場合について扱ってきましたが、今回からは金属と半導体が接触した場合を考えます。これは半導体に電圧をかけたり、電流を流す場合に必ず必要になる電極はもちろん、半導体素子そのものにも応用される重要な組み合わせです。 ...続きを見る

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2012/01/15 00:21
バイポーラトランジスタを用いた増幅回路
 電流増幅率αはほぼ1、むしろ1より小さいという前回の結論からはトランジスタによってどうして増幅ができるのかという疑問が起きるかもしれません。しかしトランジスタのなかで電子と正孔の動きによって起きることはこれに付きます。 ...続きを見る

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2011/12/25 16:07
電流増幅率
 トランジスタといえば信号の増幅ができるというのが最大の特徴ですが、その特徴を示す電流増幅率の式を今回は導いてみます。 ...続きを見る

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2011/11/27 13:42
バイポーラトランジスタを流れる電流(数値の検討)
 前回求めたエミッタ電流、コレクタ電流の式は眺めているだけではまったくイメージが掴めないと思います。今回はこれに具体的数字を当てはめて各式を見直してみます。なお、前回掲載時の式には誤りがありました。既に前回ページは訂正してありますが、ここにも式を再掲します。 ...続きを見る

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2011/10/23 20:21
バイポーラトランジスタを流れる電流
 バイポーラトランジスタはpn接合が2つ反対向きに連なっていると見ることができます。エミッタ側のpn接合が順バイアスならば、コレクタ側は逆バイアスになります(図参照)。このエミッタ側pn接合とコレクタ側pn接合を流れる電流を求める方法は単独のpn接合の場合と同じです。ただし拡散方程式を解く際の境界条件が異なります。 ...続きを見る

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2011/10/09 20:16
バイポーラトランジスタで増幅が起きる条件
 pn接合になったときのキャリア濃度、pn接合ダイオードを流れる電流の解析が終わり、つぎはというとpnpまたはnpn接合によって作られるバイポーラトランジスタに展開することになります。 ...続きを見る

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2011/09/18 20:49
pn接合を流れる電流(その2)
 前回、pn接合に外部から電位差を与えた場合に、n側、p側の電子、正孔濃度を求めました。ただし外部から電位差を与えている、言い換えれば外部に電源をつないで電圧をかけている状態では、電子、正孔は全体として留まっていることはなく移動していますから、外部回路に電流が流れます。 ...続きを見る

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2011/09/07 20:32
pn接合を流れる電流(その1)
 前回、p型とn型の半導体を接合したとき、どのような電位分布ができるかを算出しました。この状態は正負の電荷が釣り合った平衡状態ですから、電流は流れていません。pn接合をデバイスとして応用するときには電流を流して使います。そこでつぎはpn接合に流れる電流の式を求めることになります。 ...続きを見る

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2011/08/27 22:00
pn接合の電位分布
 前回までで本書「半導体の理論と応用」では第2章に相当する半導体のウィルソン模型の話が大体終わりました。言い換えれば単独の半導体におけるキャリア(電子と正孔)のエネルギー分布を表す理論式が与えられました。 ...続きを見る

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2011/08/07 21:57
不純物が添加された半導体での電子のエネルギー分布(続き)
 前回は半導体中に1種類のドナー不純物のみが添加されている場合を扱いました。1種類のアクセプタ不純物のみが添加されている場合も基本的に同様に扱うことができます。アクセプタ準位にいる正孔密度pAは   と表されます。ただ正孔というのは価電子帯で電子の抜けた孔を便宜的に粒子のように考えたものですから、アクセプタ準位との間のやりとりは本来電子について考えた方がいいと思います。 ...続きを見る

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2011/07/08 21:35
不純物が添加された半導体での電子のエネルギー分布
 不純物が添加され、不純物準位がある場合に電子のエネルギー分布はどうなるか、これは真性半導体の場合(http://sunatsubu.at.webry.info/201104/article_4.html参照)と同じ考え方で導くことができます。 ...続きを見る

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2011/06/21 21:34
ドナーとアクセプタ
 半導体にわずかの不純物を導入すると、その不純物の種類によって電子がたくさんいるn型ができたり、あるいは正孔が多いp型ができます。それがなぜかについてはずっと以前に定性的に説明しています(http://sunatsubu.at.webry.info/200510/article_4.html)。 ...続きを見る

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2011/06/12 00:03
電子密度と正孔密度
 とくに断らずに進めてきましたが、これまでの話はとくに不純物を含まない半導体(これを真性半導体といいます)についてのものでした。この真性半導体の場合、価電子帯から電子が励起されると、正孔ができますから伝導帯の電子の数と価電子帯の正孔の数は等しくなります。 ...続きを見る

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2011/05/29 18:38
価電子帯の正孔密度
 価電子帯の正孔(ホール)の密度はどう考えたらよいでしょうか。それを考えるために正孔とは何かをもう一度復習しておきます。 ...続きを見る

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2011/05/19 21:41
伝導帯の電子密度
 伝導帯の伝導電子の数を求めるため    伝導電子の数=伝導帯の状態密度×エネルギー分布 の式の右辺の伝導帯の状態密度Dとエネルギー分布fをそれぞれ求めました。もう一度式を書くと次の通りです。    (1)    (2) ...続きを見る

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2011/05/11 20:48
電子のエネルギー分布(その2)
 前回、電子のエネルギー分布として、フェルミ・ディラック統計の式    (1) を導き、その近似がボルツマン統計    (2) になることを説明しました。 ...続きを見る

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2011/05/01 21:21
電子のエネルギー分布
 今回は、    伝導電子の数=伝導帯の状態密度×エネルギー分布 のなかのエネルギー分布について調べます。 ...続きを見る

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2011/04/25 21:24
伝導帯の状態密度
 前回、    伝導電子の数=伝導帯の状態密度×エネルギー分布 という式から伝導電子の数が計算できることを説明しましたが、今回はこのうち、伝導帯の状態密度の計算を行ってみましょう。状態密度DはエネルギーEの関数で、単位体積当たりのエネルギーEをもつ状態の数で定義されます。 ...続きを見る

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2011/04/17 18:52
伝導電子の数
 半導体デバイスを理解する上で重要な数値は、半導体中を流れる電流を決める電子、正孔の数(正確には密度または濃度)でしょう。この数は理論的に決めることができます。その基礎になっているのがウィルソン模型ですが、測定結果とよく合うので、現在でも使われています。あまりに確立した理論になってしまったので、「ウィルソン模型」という言葉自体が忘れられつつあるようで、新しい本では見かけなくなっています。 ...続きを見る

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2011/04/10 19:38
導体と絶縁体
 前回まで紹介した孤立した原子からの近似によるバンド理論の考え方の利点は、個々の具体的な原子の電子配置から、その原子が作る結晶の性質が推測できることにあります。本書(*)ではNaClとダイヤモンド(C)の結晶を取り上げて解説しています。 ...続きを見る

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2011/04/03 22:56
孤立した原子からの近似(その2)
 結晶中の電子でも原子核の近くにいる場合には孤立した原子の電子とほとんど同じような状態にあると考えてもよいでしょう。ただ結晶中では複数の原子核の影響を受ける電子もあるはずで、このような電子が結晶中を動くことが考えられます。 ...続きを見る

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2011/03/27 18:56
孤立した原子からの近似(その1)
 前回まで長い間、紹介してきたのはほとんど自由な電子のモデルでした。もとはと言えば、膨大な数の原子を含む固体結晶についてシュレーディンガー方程式を解くことは到底難しく、何らかの近似が必要とされたためです。 ...続きを見る

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2011/03/06 20:33
3次元結晶のエネルギーバンド
 前回、説明した単純立方格子の第1ブリルアンゾーンを図Aに再度示します。図のように第1ブリルアンゾーンは立方体になります。このためこの立方体の中心に原点をとると、原点から第1ブリツアンゾーンまでの距離は方向によって変わります。 ...続きを見る

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2011/02/27 20:51
ブリルアンゾーン(3次元)の求め方
 原子が2次元空間に並んでいる場合をもう一度考えます。図Aに示すように原子がx、y軸に垂直な直線上に碁盤の目のように並んでいて、この直線の間隔周期がaであるとします。これらの原子が並ぶ線に対応した逆格子ベクトルを定義にしたがって求めることができます。x軸に垂直な直線上にある原子に対応する逆格子ベクトルは、図Bに示す青色のベクトルで表され、x軸方向に長さ2π/aのベクトルで代表されます。 ...続きを見る

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2011/02/24 21:16
ブリルアンゾーン(2次元)
 格子の周期がaであれば、電子波の波数kが   の範囲を第1ブリルアンゾーンと呼ぶことは以前に示しました。それでは3次元の場合はどうなるでしょうか。その前に2次元で考えてみます。 ...続きを見る

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2011/02/13 19:53
バンド理論(3次元)
 ポテンシャルエネルギーの影響が小さく自由電子に近いモデルでの3次元のバンド理論は、これまでに説明した1次元の理論とほとんど同じ考え方で展開できます。 ...続きを見る

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2011/02/06 19:22
格子ベクトル・逆格子ベクトル
 バンド理論は3次元に拡張するためには、3次元結晶をどう表現するかが問題となります。これにはベクトルを使うのが便利です。 ...続きを見る

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2011/01/28 20:43
エネルギーギャップの意味
 周期ポテンシャルがある場合、電子のエネルギーにギャップが生じることは数学的に導かれましたが、このギャップはどんな意味をもっているのでしょうか。久しぶりに「半導体の理論と応用」(*)に戻りますが、本書では1次元のバンド理論を説明した後(ここではこれをさらにかみ砕いて説明したつもりです)、エネルギーギャップの意味について触れています。 ...続きを見る

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2011/01/16 20:32
バンド理論(1次元、その3)
 前回のn=1の場合を拡張し、さらにn=2、3・・・となった場合も図Dのようにk=2π/a、3π/a・・・のところで2V2、2V3・・・というギャップを生じることになります。図の細い黒色の曲線はそれぞれ(26)式(再掲)でn=0〜3とした場合を示していますが、ギャップから離れたところではエネルギー(E-k)曲線はこれらとまったく重なっています。これがほとんど自由電子に近いモデルの特徴で、ポテンシャルの影響はギャップ付近のみに現れます。    (26) ...続きを見る

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2011/01/09 11:00
バンド理論(1次元、その2)
 前回得たエネルギーEの式(21)がどんなことを示しているかを調べます。    (21) ...続きを見る

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2011/01/05 20:57
バンド理論(1次元)
 フーリエ展開した周期ポテンシャル    (1) と波動関数    (2)      (3) を一電子モデルの一次元シュレディンガー方程式    (4) に代入します。なお、指数関数をと書くと、指数が複雑な場合には小さくなって見にくいので、一般になされているように以後と書くことにします。 ...続きを見る

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2010/12/27 00:17
フーリエ展開
 実際の結晶中での電子の理論をさらに進めるためには、周期ポテンシャルの形を一般化して扱えるようにする必要があります。それを行う有力な手段がフーリエ展開です。 ...続きを見る

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2010/12/23 19:52
エネルギーバンド
 前回の(6)式    (1) は、クローニッヒ・ペニーポテンシャルがある場合のシュレディンガー方程式の解そのものでなく、巡回境界条件のもとで波動関数が定まる条件を示す式です。ではありますが、ここから電子がもつエネルギーについて重要な知見が得られます。 ...続きを見る

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2010/12/13 20:59
クローニッヒ・ペニーポテンシャル
 前回、ポテンシャルエネルギーが周期的である場合の電子の波動関数の性質についてブロッホの定理を紹介しました。このブロッホの定理はポテンシャルエネルギーが周期的であれば、一般的に成り立つものです(だから定理なのですが)。 ...続きを見る

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2010/11/28 19:29
周期ポテンシャル
 これまで自由電子モデルにおいて2種類の境界条件のもとでシュレディンガー方程式の解を紹介しました。しかしポテンシャルエネルギーが一定(ゼロ)という自由電子モデルは原子が規則的に並んでいる結晶内の仮定としては実情とかけ離れているように思われます。また前回の巡回境界条件のように波動関数の境界条件だけ周期的であるというのも片手落ちの気がします。 ...続きを見る

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2010/11/21 18:34
境界条件(その2)
 前回、結晶の端で波動関数が0になるという境界条件のもとでの、自由電子モデルのシュレーディンガー方程式の解を紹介しましたが、今回はこれとは違うもう一つの境界条件を考えます。 ...続きを見る

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2010/11/14 19:14
境界条件(その1)
 自由電子モデルのシュレーディンガー方程式をx成分は前回の(4x)式です。    (1)  この方程式の解として前回の(5−1)式と(5−2)式を重ね合わせた形を書くと    (2) となります。ただし   ...続きを見る

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2010/11/09 23:53
結晶の記述
 だいぶ長く回り道をしましたが、「半導体の理論と応用」(以下、「本書」と言います)に戻ります。前回原子核と電子が1個または2個からなる系を例に、原子核と電子を多数含む系のシュレディンガー方程式がどんな形になるかを考えました。 ...続きを見る

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2010/10/17 20:27
光子のエネルギーと運動量
 量子力学は完成されたはずの古典力学で説明できない事実がいくつか出てきて、この問題を解決するために考え出されました。量子力学は主として原子などミクロな世界に適用される理論ですが、当初、光は何者?という問題からスタートしています。 ...続きを見る

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2010/09/05 20:24
量子力学の勉強?
 本書(*)の2.3節は「結晶内電子の状態」と題され、「導体と半導体の区別」という副題が付いています。前回までの古典電子論(2.2節)では、固体内の電子の運動を扱うのに、ニュートンの運動方程式を適用しています。固体内では電子の運動が原子との衝突によって妨げられると考えられるので、それを考慮するために緩和の項を入れるというやり方を取りました。 ...続きを見る

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2010/08/29 20:11
ホール係数と数値例
 前々回の(7)式からわかるようにホール係数Rはキャリア濃度によって決まってしまうので、材料には依りません。なお、この(7)式のqの単位はcgs静電単位で表示されています。もしqの単位をクーロン(C)とすると、光速cは不要になり、    (1) となります。電子電荷は−1.6×10-19Cですから、    (2) から、R(cm3/C)が測定されれば、電子の濃度nがcm-3の単位で求められます。 ...続きを見る

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2010/08/22 18:48
単位の話
 ホール係数を測定するには、前回記したように、試料のx方向に電流Ix(単位面積当りJx)を流し、z方向に磁界Hzを加えたときに、y方向に発生する電界Eyを測定します。あとはこれらの値を前回の(1)式(または(7)式の左側の部分)に入れればホール係数Rが計算できます。 ...続きを見る

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2010/08/15 19:57
ホール効果
 ホール(Hall)効果についてはこのブログでも何度か説明をしていますが、   http://sunatsubu.at.webry.info/201005/article_2.html 本書(*)ではホール係数を古典電子論を使って表現しています。 ...続きを見る

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2010/08/08 16:33
アインシュタインの関係式(その3)
 前々回導いた個々の電子に関する次の運動方程式(6)、    (6) を運動する多数の電子に関して平均します。これを行うために必要な次式((7)式)を前回導きました。    (7) ...続きを見る

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2010/08/01 12:36
アインシュタインの関係式(その2)
 前回の最後に、「重要なのはの平均がに等しくなるということです」と書きました。そこで今回は少し脇道ですが、    (7) が成り立つことを示したいと思います。この導出について本書(*)は触れていません。 ...続きを見る

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2010/07/26 21:32
ホームページ更新のお知らせ
 当ブログに今年4月まで掲載しました「受光素子」を姉妹ホームページ「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)の方に転載する作業が終わりましたので、お知らせします。 ...続きを見る

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2010/07/22 21:01
アインシュタインの関係式(その1)
 前回、拡散現象の理論の概要を紹介しましたが、拡散の起こりやすさを示す定数として拡散定数が出てきました。この拡散定数Dと移動度の間の関係として次式のようなアインシュタインの関係式が知られています。     (1) ここでkはボルツマン定数、Tは絶対温度です。 ...続きを見る

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2010/07/19 19:10
拡散現象
 古典電子論による解析の例として本書(*)は拡散現象についても取り上げています。主としてアインシュタインの式の導出を紹介していますが、わずか1ページ半ほどであっさりと扱われているので、かなり予備知識がないと難しいかと思います。 ...続きを見る

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2010/07/11 21:43
緩和時間
 前回、固体中の電子の平均寿命という考え方を使い、この寿命の間だけ電子が加速されるとして多数の電子の平均速度を求めると、オームの法則   (1) が導出できることを示しました。ただし導電率は、    (2) と表せます。ここでn、、e、mはそれぞれ電子の濃度、平均寿命、電荷、質量です。 ...続きを見る

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2010/07/04 18:42
オームの法則
 本書(*)では、古典電子論によって説明できる現象の例としてまずオーム(Ohm)の法則を取り上げています。オームの法則とは抵抗値Rの抵抗器に電流Iを流すと、抵抗器の両端の電圧Vは    (1) という関係になるというものです。これは横軸に電圧、縦軸に電流をとってグラフに描くと、図Aのように電圧と電流の関係は直線になり、その傾きは抵抗値の逆数1/Rになることを示します。 ...続きを見る

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2010/06/29 20:51
半導体の基礎理論
 第2章は本書(*)の中心とも言うべき「半導体のWilson模型」という基礎理論の説明がなされます。そこに入る前に、この半導体の基礎理論は何を解明するために作られたのかを整理しておきます。本書でも第2章の冒頭に「第2章ではどのような問題を扱うか」という節が設けられて、このことが説明されています。 ...続きを見る

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2010/06/06 23:58
整流現象の発見
 整流現象は2つの物質の界面で起こる現象で単独の半導体内の現象ではないので、単独の半導体に特徴的な現象とは区別して取り扱われています。「光起電力の現象」も単独の半導体の現象でない点で共通しています。 ...続きを見る

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2010/05/30 17:30
光電気現象の発見
 半導体に特徴的な現象としては、前回の熱電気現象よりも光に絡む現象の方が、広くデバイスへの応用がなされています。本書(*)では「光伝導の現象」(1.1-d)と「光起電力の現象」(1.1-f)が取り上げられています。 ...続きを見る

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2010/05/23 16:57
熱電気現象
 半導体の最大の特徴は電気伝導特性にあるわけですが、そのほかにも特徴的な現象があります。「半導体の理論と応用」(以下、本書)では「第2の特長」として熱電気現象を取り上げています。 ...続きを見る

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2010/05/16 20:26
電流を運んでいるのは何か?
 半導体の電気伝導の温度依存性の話に続き、「半導体の理論と応用」(以下、本書といいます)は半導体中を流れる電流は何によって運ばれるか、というテーマに話を移しています。答えはもちろん電子と正孔なのですが、これは本書発行時にももちろん既にわかっていたことです。本書はこれがどうしてわかったのかを説明しようとしていますが、まずは19世紀の実験から説き起こされています。 ...続きを見る

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2010/05/09 20:33
半導体の電気伝導
半導体の電気伝導 ...続きを見る

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2010/05/02 20:14
半導体の理論と応用
 前回予告しましたが、半導体デバイスの紹介が一段落したところで、これからは充分時間をかけて半導体の基礎理論を勉強していきたいと思っています。どういうやり方をするか考えていたのですが、何の拠り所もなく進めるのは荷が重く挫折しそうです。なにか教科書となる本を一冊決めて、それを読み進めながらいろいろなことを幅広く考えていく、というのがいいのではないかと思います。 ...続きを見る

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2010/04/25 22:01
これからの予定
 「受光素子」を最後に主要な半導体デバイスの紹介はほぼ終わりました。これから当ブログに何を書いていくかを考えていたのですが、少しスタイルを変えたいと思います。 ...続きを見る

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2010/04/18 19:39
受光素子の特許分類 −まとめに変えて−
 以上で受光素子は終わりとします。最後に特許分類(IPC、FI、Fターム)について触れておきます。 ...続きを見る

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2010/04/18 19:37
半導体レーザのモニタ
 このところ発光素子と組み合わせた受光素子という話題を取り上げてきましたが、今回はその最後として発光素子のモニタ(監視)用受光素子について紹介することにします。 ...続きを見る

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2010/04/11 17:06
発光受光兼用素子
 これまで説明してきたように光の検知は基本的にはpn接合があれば可能です。一方発光素子も基本的にはpn接合を使っています。それならば発光素子、例えば発光ダイオード(LED)に外から光を当てると光電流が流れるでしょうか。流れます。受光素子として実用に耐えるかはわかりませんが、とにかく電流は流れるはずです。 ...続きを見る

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2010/04/04 16:34
フォトカプラ
 今回はフォトカプラという電子部品を取り上げます。フォトカプラは日本語に訳すと光結合素子とでも言ったらよいでしょうか。やっかいなことにカプラとか光結合器とか呼ばれるものに、これから説明しようとするフォトカプラとは違う別のものがあります。これについては一通り説明が終わってからもう一度触れることにします。 ...続きを見る

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2010/03/28 22:05
位置検出素子
 本題に入る前に前回の補足をします。前回のはじめの部分で、光伝導スイッチがかつては屋外灯のオンオフに使われていたけれども、現在はフォトダイオードかフォトトランジスタが多く使われていると書きました。 ...続きを見る

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2010/03/21 19:27
光伝導スイッチ
 フォトコンダクタ(光伝導体)の項で説明したようにフォトコンダクタは光を当てると電流が流れるのを利用して光の検知に使うことができます。これは見方を変えると光を当てる、当てないで電流をオンオフできるスイッチになるということです。 ...続きを見る

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2010/03/15 00:04
お知らせ
大変遅くなりましたが、 姉妹ホームページ「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)に 「太陽電池」をすべて掲載しましたので、お知らせします。 ...続きを見る

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2010/03/07 20:42
放射線検知素子(その2)
・半導体X線検知素子  シンチレータを使わずに、シリコンなどのフォトダイオードに直接X線を当てたらどうなるでしょうか。これを調べようと普通の半導体の教科書を開いてもまず書いてありません。意外と盲点だったのかも知れません。 ...続きを見る

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2010/03/07 18:47
放射線検知素子(その1)
 受光素子の周りには何故か普段あまり注目されませんが、特別な機能をもった素子や興味深い応用分野が多いように思います。以下、数回にわたってそのような受光素子に関する話題を順不同で取り上げます。 ...続きを見る

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2010/03/03 21:56
光電子増倍管(比較のために)
 受光素子についての最初のエントリーで、半導体素子ではない光検出器である光電子増倍管が現在でも重要な地位を保っているので、いずれ取り上げたいと書きました。半導体受光素子の紹介が一通り終わったので、ここで比較のために光電子増倍管を取り上げてみたいと思います。 ...続きを見る

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2010/02/21 19:15
フォトコンダクタ
 受光素子のなかにはさらにフォトコンダクタ(photoconductor)というものもあります。フォトダイオード、フォトトランジスタとの大きな違いは接合を持たないという点です。 ...続きを見る

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2010/02/14 20:06
フォトトランジスタ
 ここまでフォトダイオードについてみてきましたが、受光素子のなかにはフォトトランジスタというものもあります。フォトダイオードは2本足のダイオードに光を当てて使うものでしたから、フォトトランジスタは3本足のトランジスタに光を当てて使うものと推測できると思います。 ...続きを見る

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2010/02/07 20:03
超格子APD
 前回、アバランシェフォトダイオード(APD)には過剰雑音が発生することを説明しました。これは電子や正孔が原子と衝突し、イオン化が起こるときに発生するAPD特有の雑音です。電子によっても正孔によってもイオン化が同等に起こるような場合にもっとも雑音が大きく、どちらか一方に偏っていれば少なくなるということも説明しました。 ...続きを見る

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2010/01/31 19:36
アバランシェフォトダイオードの雑音
 光検出器としてのフォトダイオードにとって、雑音は大きな問題です。「雑音」というと「邪魔になるうるさい音」といったイメージかも知れませんが、電気の世界では音以外の電気や光の信号についても「雑音」という言葉を使います。真に伝えたい信号に混じって邪魔をしたり乱したりするものを言います。「雑音」がよくなければ「ノイズ」という英語を使ってもよいでしょう。 ...続きを見る

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2010/01/24 19:01
アバランシェフォトダイオードの構造
 アバランシェフォトダイオード(APD)は前回説明した通り、pn接合に高い逆バイアスをかけたときに生じる電子雪崩を利用するのが特徴です。言い換えればpinフォトダイオード(以下、pinPDと略記します)に高い電圧をかけて電子雪崩をおこさせればAPDとして動作するということになります。ということはpinPDとAPDは素子の構造としては同じでよく、電圧の条件だけを変えればよいと言えます。 ...続きを見る

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2010/01/17 20:05
ホームページ更新のお知らせ
姉妹HP「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)に 「太陽電池」の9〜16節を追加しましたのでお知らせします。 全体の移行完了はもう少しお待ち下さい。 ...続きを見る

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2010/01/12 00:05
アバランシェフォトダイオード
 これまで見てきたpinフォトダイオードと並んで重要な受光素子がアバランシェフォトダオードです。今回からこのアバランシェフォトダイオード(APDと略すことがあります)に話を移します。 ...続きを見る

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2010/01/10 19:41
ブログタイトル変更のお知らせ
 新しい年の初めに合わせてブログタイトルを変えましたのでお知らせします。 ...続きを見る

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2010/01/10 19:38
応答速度
 受光素子に光を当てると光電流が流れ、光の強さを変えるとそれにしたがって電流の大きさも変わります。もちろんこの光の波長は受光素子が感じる範囲でなければなりませんし、光の強さもほどほどでなければいけません。ある程度以上、光が強くなりすぎると、電流はもう増えなくなってしまいます。 ...続きを見る

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2009/12/27 23:30
日本人とナノエレクトロニクス
 今回は「受光素子」を中断して最近出版された本について書きます。その本とは、   吉田伸夫著「日本人とナノエレクトロニクス」(技術評論社) です。「世界をリードする半導体技術のすべて」という副題が付いています。 ...続きを見る

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2009/12/21 00:03
受光感度(量子効率)
 前回取り上げた暗電流は光が照射されていないにも拘わらず流れてしまう電流ですから、光を検出しようとするときにこれが多いと、本当に光が来ているのかどうかわかりにくくなってしまうということが問題でした。 ...続きを見る

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2009/12/13 21:14
暗電流
 暗電流についてはすでに触れていますが、今回は正面からこれを取り上げてみます。暗電流(dark current)とは光電変換素子において光が照射されていないにも拘わらず流れてしまう電流のことです。 ...続きを見る

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2009/12/06 19:55
pinフォトダイオードの構造
 今回はpinフォトダイオードが具体的にどのような構造をもっているかについて紹介します。 ...続きを見る

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2009/11/29 18:44
pinフォトダイオード
 フォトダイオードとしてもっとも普通に使われているのがpinフォトダイオードです。このpin(大文字でPINと書かれることもあります)はp型−i型−n型という半導体の層構造を表しています。そしてこのiは真性(intrinsic)半導体の頭文字です。実際には不純物ドープをしていない層であり、ノンドープ層とかアンドープ層とか呼ばれます。 ...続きを見る

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2009/11/22 17:05
ホームページ更新のお知らせ
 「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)に、こちらに先頃まで掲載しました「太陽電池」を取りあえず、一部のみいくらか編集を加えて転載しました。 ...続きを見る

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2009/11/15 21:37
pn接合フォトダイオードの特性
 前々回にフォトダイオードは同じ光電変換素子の仲間の太陽電池とは違って、逆方向の電圧をかけて使う場合が多いことに触れました。この点についてもう一度見ておくことにします。 ...続きを見る

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2009/11/15 19:27
光の吸収
 固体に光を当てると、光の一部は固体を通り抜け(透過し)、また一部は表面で反射されます。このとき透過した光の強度と反射された光の強度を足すと入射させた光の強度より小さくなります。光の一部が消えてしまったことになりますが、どこに消えたかというと固体の中でエネルギーを吸い取られて消えたのです。 ...続きを見る

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2009/11/08 18:47
受光素子の動作と課題
(1)受光素子の動作 ...続きを見る

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2009/11/01 15:59
光電変換の原理
 光のエネルギーを電気エネルギーに変換するにはどうしたらよいでしょうか。電気エネルギーの素は電子のエネルギーですが、これを取り出して使うためには、動く電子を作り出す必要があります。電子が電線のなかで移動するとそれは電流となります。電流はエネルギーとして利用することができます。 ...続きを見る

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2009/10/25 19:31
受光素子
 今回から「受光素子」を取り上げます。この受光素子とは何か、まず言葉について確認しておきましょう。「受光素子」は光を受ける素子と書きますが、もう少し明確に言うと光を受け電気に変換する素子の一種ということが言えます。 ...続きを見る

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2009/10/18 21:26
今後の予定
 1年以上かかりましたが、「太陽電池」は終わりとします。太陽電池は最近、いろいろな話題が多く、まだまだ取り上げ残している切り口も多々あると思いますが、ひとまず区切りとします。 ...続きを見る

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2009/10/11 17:27
太陽電池の特許分類 −まとめに変えて−
 太陽電池を終わるにあたって、特許分類についてまとめておきます。 ...続きを見る

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2009/10/11 16:26
宇宙太陽光発電所
 太陽電池についてはいろいろな切り口があり、まだ取り上げきれていない側面も多くありますが、現時点では以上で終了とします。最後に今後の夢とも言える技術を紹介したいと思います。 ...続きを見る

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2009/10/04 20:01
ライフサイクル評価
 私たち一般消費者が太陽光発電を家庭に導入する場合に検討することは何でしょうか。それは単純で商用電源だけを使っている場合に比べて得になるかです。太陽光発電システム一式を購入して自宅に取り付けた結果、商用電源の買電額が減り、売電もできるようになったとして、最初の購入にかかった費用を買電の節約分と売電分によって何年かかったら帳消しにできるかという問題です。 ...続きを見る

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2009/09/27 20:31
太陽光発電システムの構成
 今回は太陽光発電システムの具体的構成を特許に書かれている例で見ていきましょう。まず独立型について考えます。図Aは特開平6-266454号に示されたシステムのブロック図です。このシステムは商用電源の系統7にも接続できるようになっていますが、スイッチ8をオフにしてしまうと独立型として動作します。 ...続きを見る

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2009/09/06 19:23
太陽光発電システムの種類
 これまでいろいろな太陽電池を紹介してきましたが、これらの太陽電池は太陽光を受けている間は発電しますが、光が遮られれば発電ができません。かつて太陽電池付きの電卓で、光を遮ると表示が消えてしまうものがありましたが、太陽電池とその電力を利用する機器を1対1に接続しただけではこのようなことになり、実用になりません。 ...続きを見る

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2009/08/30 20:53
色素増感太陽電池
 今回紹介する太陽電池はこれまで説明してきた各種の太陽電池とかなり違った構造と原理をもっています。以前の分類では「湿式」という言葉を使っていますが、これは液体を使っていることを意味しています。 ...続きを見る

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2009/08/16 23:43
有機半導体薄膜太陽電池
 前回、説明したように有機化合物のなかには電子を放出しやすい性質をもった電子供与体(ドナー)分子と電子を受け取りやすい性質をもった電子受容体(アクセプタ)分子があります。そしてこれらを混合してできる電荷移動錯体は半導体としての性質をもっています。しかしこの電荷移動錯体単体では太陽電池は作りやすくありません。 ...続きを見る

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2009/08/12 21:05
有機半導体
 「有機物」とは動植物、生体を形作っている物質という意味ですが、化学的には炭素の化合物を言います。ただし炭酸カルシウムとか炭化珪素などは炭素化合物であるにもかかわらず、普通は無機物とされます。典型的な有機化合物は炭素同士の結合があるものと考えれば大体はいいのですが、炭素1個のメタンは普通有機物とされます。このように有機物と無機物の境界はそれほど明確ではなく慣習に従っているので、そこはあまり厳格に考えないほうがよさそうです。 ...続きを見る

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2009/08/02 20:27
量子ドット太陽電池
 前回までに紹介した太陽電池は何らかの形で実用化がなされているものでした。今回以降はまだ開発中の技術をいくつか取り上げていきたいと思います。今回は前回までの化合物半導体太陽電池の延長とも言える量子ドット太陽電池を紹介します。 ...続きを見る

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2009/07/26 20:39
U−Y族化合物半導体薄膜太陽電池
 前回、V−X族太陽電池の低コスト化の手段として基板を低価格なものに変えることを挙げました。実際にSiやGeを基板にすることが試みられてはいます。しかしこの場合は単結晶Siの太陽電池より高い変換効率が得られないとあまり価値がありません。基板をさらに安いガラスなどにすることができれば特徴を出せるのですが、V−X族では難しいようです。 ...続きを見る

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2009/07/12 20:07
V−X族化合物半導体太陽電池の低コスト化
 V−X族化合物半導体の太陽電池はもっとも高い変換効率を実現できることを前回説明しました。しかし価格が高いという難点があり、人工衛星への搭載などはされているものの住宅用に導入することは難しいと考えられています。しかしもし何らかの手段で価格を下げることができれば、高い変換効率を地上でも活かすことができるので、コスト低減の検討もなされてきました。 ...続きを見る

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2009/07/05 19:03
V−X族化合物半導体太陽電池の高効率化
 シリコンを越える高い変換効率が実現できる太陽電池の材料として化合物半導体が期待されていますが、そのなかではV−X族が既にもっとも実績をもっています。これはV−X族が発光ダイオードや半導体レーザなどの発光デバイスあるいはトランジスタにおいて製造技術を蓄積していることが大きいと思われます。 ...続きを見る

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2009/06/28 19:46
化合物半導体太陽電池
 前回までにシリコン系の太陽電池全般にわたっての紹介が一通り終わりましたので、今回以降はその他の材料を用いる太陽電池に話を移します。 ...続きを見る

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2009/06/21 20:24
太陽電池モジュール
 太陽電池は英語では”solar cell”ということは以前にも書きましたが、そのとき”photovoltaic cell”という言い方もあるということを書き忘れました。日本語に訳せば光電変換セルということになりますが、略してPVセルと呼ばれることもあります。いずれにしてもセルは電池という意味で使われます。 ...続きを見る

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2009/06/14 21:08
フレキシブル基板太陽電池
 アモルファスや微結晶の薄膜を使った太陽電池は単結晶の太陽電池に比べると、基板をかなり自由に選べるという特徴があります。透明なガラス板がよく使われますが、この場合は平面状で、単結晶の場合と形としては同じようなものになります。しかしアモルファスシリコンのような薄膜は基板表面が曲面であっても成膜が可能ですから、光を受ける面が曲面の太陽電池も作ることができます。 ...続きを見る

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2009/06/07 20:17
集積型薄膜太陽電池
 前々回に説明したタンデム型太陽電池は異なる材料の太陽電池を積層し、異なる波長帯の光を光電変換できるようにしたものでした。これは積層方向に複数の太陽電池を集積した集積型太陽電池ということができます。 ...続きを見る

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2009/05/31 19:29
シリコン系薄膜ヘテロ接合太陽電池
 シリコン系薄膜太陽電池の接合構造についてもう少し話を続けます。表題にヘテロ接合と書きましたが、前回紹介したアモルファスSiとアモルファスSiCを積層したものなども材料が異なり、光学ギャップも異なる半導体の組み合わせですからヘテロ接合と言えます。 ...続きを見る

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2009/05/24 19:32
シリコン系薄膜太陽電池の接合構造
 シリコン系薄膜太陽電池の構造の概要を前回説明しましたが(末尾の部分が誤解を招きやすい書き方になっていましたので一部修正しました)、薄膜太陽電池はその接合構造に特徴がありますので、今回はそれを取り上げます。 ...続きを見る

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2009/05/17 20:20
シリコン系薄膜太陽電池
 アモルファスシリコンや微結晶シリコンの薄膜を用いた太陽電池の構造は結晶系太陽電池とは少し異なります。もっとも違うのは基板です。結晶系太陽電池は単結晶または多結晶のウェハを基板とし、表面に不純物を拡散してpn接合を形成します。 ...続きを見る

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2009/05/10 18:46
シリコン薄膜の作り方(その3)
 これまで、その1ではアモルファスシリコン薄膜、その2では微結晶シリコン薄膜の作り方について説明してきました。シリコン系の薄膜太陽電池で実用的に使われているのはだいたいこの2つの材料だと思われます。 ...続きを見る

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2009/05/04 21:22
シリコン薄膜の作り方(その2)
 前回、プラズマCVDという方法によるアモルファスシリコン薄膜の作り方を紹介しました。このアモルファスシリコン薄膜を使った太陽電池は普通、ガラスやプラスチックの基板の上に作るので、単結晶シリコンや多結晶シリコンの基板を使わないで済みます。このためシリコンの資源節約になります。 ...続きを見る

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2009/04/26 19:07
シリコン薄膜の作り方(その1)
 前回、アモルファスシリコンの話をしましたので、ここもアモルファスシリコンの作り方という題にした方がつながりとしてはよいのですが、太陽電池に使われるのはアモルファスだけでなく、微結晶とか多結晶の薄膜もあります。これらの作り方は共通しているので、ここではこれらすべてを含めてシリコン薄膜の作り方を何回かに分けて紹介します。 ...続きを見る

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2009/04/19 21:02
アモルファスシリコン
 これまでシリコン系の太陽電池として単結晶と多結晶のシリコンを使ったものを調べてきました。この他、シリコン系太陽電池として実用化しているものにアモルファス(または非晶質)シリコン太陽電池があります。 ...続きを見る

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2009/04/12 20:31
多結晶シリコン太陽電池
 多結晶シリコンを使った太陽電池には、ウェハを基板にするもの、シート状あるいはリボン状のシリコンを使うもの、それに絶縁性基板上に多結晶薄膜を成長させるものなど、単結晶のものよりバラエティがあります。 ...続きを見る

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2009/04/05 20:24
多結晶シリコンシートの作り方
 前回、ソーラーグレードシリコン(SoG−Si)原料をインゴット(塊)の形にする方法を調べました。これを太陽電池にするには薄くスライスしてウェハにします。固いシリコンを切るにはさらに固いダイヤモンドの刃を使い、その後表面を研磨して平坦にします。ウェハの厚みは300μmくらいまで薄くなります。実際に太陽電池として必要な接合部分は数10μmもあればよいのですが、そんなに薄く切ることはできません。この切断と研磨のときに切り屑、削り屑がたくさん出てこれが無駄になります。 ...続きを見る

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2009/03/15 21:10
多結晶シリコンインゴットの作り方
 前回まで3回にわたってソーラーグレードシリコン(SoG−Si)の作り方を調べてきました。しかしこれらは6N、7Nの高純度シリコン材料の製法であって、つぎにこれを原材料にして太陽電池を作る工程が必要になってきます。その第一歩が基板(ウェハ)の準備です。 ...続きを見る

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2009/03/08 20:36
SoG−Siの作り方(その3)
 ソーラーグレードシリコン(SoG−Si)の作り方としてシーメンス法と冶金学的方法の2つを紹介しました。シーメンス法が早い時期に開発され、しかもかなり有力な方法でしたので、その後これを越えることを目的に多くの方法が研究されました。とくに重視された点はコストを下げることと、大量に生産できることの2点です。 ...続きを見る

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2009/03/01 19:06
SoG−Siの作り方(その2)
 前回、シーメンス法を紹介しましたが、今回はこれとは違う考え方の方法を説明します。シーメンス法はシリコンの化合物(塩化物など)を気体にして反応させ、シリコンを析出させる方法でした。今回紹介する方法は原料を加熱して融かした状態で不純物を減らしていく方法で、これは鉱石から金属を取り出す冶金に近い方法です。 ...続きを見る

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2009/02/22 20:26
SoG−Siの作り方(その1)
 太陽電池にはトランジスタや集積回路用ほど純度の高くないソーラーグレードシリコン(SoG−Si)で十分であるということがわかりましたが、このSoG−Siを作るにはどのような方法があるかを調べてみます。 ...続きを見る

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2009/02/15 19:51
ソーラーグレードシリコン
 前回まで見てきた単結晶シリコン太陽電池は理想に近い性能を得ることができるようになってきています。しかし単結晶成長の代表的方法であるFZ法やCZ法は温度の管理などが非常に厳しく、また長時間が必要なため、装置や投入するエネルギー(加熱のための電力など)に多くのコストがかかります。また、エネルギーを得るための太陽電池の材料を用意するのに大量のエネルギーを必要とするのでは困ります。 ...続きを見る

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2009/02/08 19:38
単結晶シリコン太陽電池
 単結晶シリコンを使った太陽電池は現在でも性能の良い代表的な太陽電池として使われています。太陽電池のもっとも重要な性能は、入射した光のエネルギーのうち、何%を電気のエネルギーに変えられるか、すなわち変換効率です。 ...続きを見る

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2009/01/18 21:15
シリコン単結晶の作り方(その3):引き上げ法(CZ法)
 「その2」では原料の一部を融かすFZ法を説明しましたが、この方法は非常に高純度の単結晶が得られる反面、結晶の大型化あるいは大量生産には向いていません。一方、るつぼ内で融かした原料に種結晶を漬け、引き上げる、いわゆる引き上げ法はるつぼから不純物が混入しやすいという問題があるものの、大型結晶が作りやすいという点で、大量の半導体デバイスを必要とする現代の要求には適した方法でした。 ...続きを見る

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2009/01/12 18:54
新年のご挨拶とお知らせ
明けましておめでとうございます。 今年も宜しくお願い致します。 ...続きを見る

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2009/01/03 18:07
シリコン単結晶の作り方(その2):ゾーンメルティングとFZ法
 前回の「その1」で、単結晶の成長の基本的な考え方として、どこか一箇所から結晶化が始まるように工夫する、具体的にはどこか一箇所の温度を下げるようにする方法があると書きました。 ...続きを見る

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2008/12/28 21:51
シリコン単結晶の作り方(その1):基本的な考え方
 単結晶シリコン太陽電池を実現するためには、何と言ってもシリコンの単結晶を作る技術が重要です。もちろん太陽電池以外のシリコンを使うデバイスにとってもこれは重要ですが、とりわけ太陽電池の場合は大面積であるほど有利ですから、大型で良質の結晶を作る技術が重要になります。そこで現在、太陽電池に使われているシリコンの単結晶がどのような方法で作られているか調べてみましょう。 ...続きを見る

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2008/12/14 19:38
最初の単結晶シリコン太陽電池
 太陽電池の代表格というとやはり単結晶シリコンを使ったものということになると思います。そして太陽電池の開発の歴史をみても、最初から単結晶シリコンが使われています。 ...続きを見る

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2008/12/07 17:12
太陽電池の分類
 太陽電池共通の課題については大体終わったので、これから個別の話に入っていくことにします。はじめに太陽電池にはどんな種類があるかを見渡しておくのがよいと思いますので、分類を考えてみましょう。 ...続きを見る

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2008/11/30 19:35
太陽電池の効率を低下させる原因(その4)
 これまで、光が太陽電池のセルの中にうまく入ってくれないとか、入ってくれはするものの電気に変換されずに通り抜けてしまうとかいった問題を考えました。 ...続きを見る

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2008/11/23 23:54
太陽電池の効率を低下させる原因(その3)
 前回、前々回は光が太陽電池のセルの中にうまく入ってくれない問題を扱いました。今回は入ってくれはするものの電気に変換されずに通り抜けてしまうという問題を考えてみます。 ...続きを見る

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2008/11/16 19:26
太陽電池の効率を低下させる原因(その2)
 前回、入ってきた太陽光エネルギーが失われ、電気エネルギーになってくれない原因の1つとして、太陽光が太陽電池の中にうまく入ってくれないことを取り上げました。そして具体的には表面での反射について調べました。 ...続きを見る

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2008/11/09 19:13
太陽電池の効率を低下させる原因(その1)
 前々回、太陽電池の変換効率について調べましたが、太陽電池は、ほとんど避けようのない理由で入射した太陽光のエネルギーを約3割くらいしか電気のエネルギーに変えられないという結果でした。 ...続きを見る

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2008/11/02 23:28
セルの構造
 太陽電池は具体的にどのような構造をもっているのかについて見てみましょう。ところで太陽電池は英語では”solar cell”です。電池にはバッテリー(battery)という語がありますが、solar batteryとはあまり言わないと思います。セルとバッテリーはどう違うのでしょうか。 ...続きを見る

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2008/10/26 21:13
太陽電池の変換効率
 太陽電池は太陽の光のエネルギーを電気のエネルギー(電力)に変換する装置ですが、太陽電池の表面に当たった光のエネルギーをすべて電力に変換できるわけではありません。どの程度変換できるかの割合を変換効率と言います。これはどの程度の値になるのか調べてみましょう。 ...続きを見る

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2008/10/12 23:14
pn接合を用いた太陽電池
 太陽電池によって太陽エネルギーを利用することを検討する価値は十分あることが分かりましたので、つぎは太陽電池の性能について調べることにします。 ...続きを見る

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2008/09/28 20:09
太陽電池は電力需要に応えられるか
 太陽から地球に届くエネルギーのうち地上の1地点で使える量が大体わかりましたので、これを太陽電池で電力に変換したとき、どのくらいのエネルギーが得られるかを見積もることができます。太陽電池そのものの話に入る前にその計算をやってみましょう。 ...続きを見る

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2008/09/21 20:13
ホームページ更新(バイポーラトランジスタ完結)
 8月中は更新できず、だいぶ間があきましたが、「バイポーラトランジスタ」に15〜19の節を追加し、この章を完結させました。こちらをご覧下さい。 → http://denkou.cdx.jp/ ...続きを見る

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2008/09/07 20:58
バイポーラトランジスタの集積回路
 「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)にバイポーラトランジスタの集積回路についての2節を追加しました。発明を歴史的に説明しており、13はキルビー特許について、14はノイス特許についてです。この後、素子分離技術について説明し、バイポーラトランジスタはお終いにする予定です。 ...続きを見る

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2008/07/27 21:23
太陽光発電の課題
 前回、地上のわずか1.5%の面積に太陽電池を設置すれば、地球上の全電力をまかなえると書きましたが、これは地球上ではなく、日本の消費電力の間違いのようです。 ...続きを見る

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2008/07/20 19:42
太陽電池
 しばらく間が開きましたが、     「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/) に「GaN系バイポーラトランジスタ」と「ヘテロ接合バイポーラトランジスタ」を追加しました。とくに「GaN系」はバイポーラトランジスタの分野での新しい動きと言えます。 ...続きを見る

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2008/07/13 18:47
プレーナトランジスタ
 「電光石科」 http://denkou.cdx.jp/ への追加情報です。 ...続きを見る

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2008/06/22 23:32
ホームページ更新「バイポーラトランジスタ」つづき
 少し間が開きましたが、「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)の「バイポーラトランジスタ」のページに3つの節を追加しました。 ...続きを見る

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2008/06/08 20:50
ホームページ更新(バイポーラトランジスタ)
 「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)バイポーラトランジスタの3節を追加しました。  バイポーラトランジスタの発想はどこから出てきたのか、これはなかなか難しい問題です。3極真空管からMOSFETへの流れは比較的すんなり理解できるような気がしますが、MOSFETがうまくいかないからと言ってバイポーラトランジスタの発想が自然に出てくるとは思えません。この発想のジャンプが凄いところです。 ...続きを見る

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2008/05/18 19:37
バイポーラトランジスタ
 予告した通り、バイポーラトランジスタの記事を「電光石科」(http://denkou.cdx.jp/)に書き始めました。現在のところ1と2の2つの節だけですが、とりあえず公開しました。 ...続きを見る

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2008/05/11 20:10
今後の予定
 半導体レーザを始める前にどちらを先にするか少し迷ったテーマがバイポーラトランジスタです。そこでつぎはこれに取り組むことにします。ただトランジスタは20世紀最大の発明と言われ、これに関する本なども多く出版されています。そこでここではややコンパクトにまとめたいと考えています。 ...続きを見る

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2008/05/04 19:06
半導体レーザの特許分類(まとめに変えて)
 半導体レーザの話にやはり1年かかってしまいました。話題はまだまだあるのですが、もっとも重要なところは大体説明したと思いますので、これでお終いにします。最後に特許分類について概略を紹介しておきます。半導体レーザに関する分類はFI、Fタームともかなり充実しています。以下に説明するように半導体レーザの技術全体を見渡すのにも役立つと思います。詳細はIPDLのパテントマップガイダンスで確認してください。 ...続きを見る

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2008/05/04 18:58
半導体レーザの応用(レーザプリンタ、その他)
 今回は、光通信、光ディスク以外で我々の身の回りにある半導体レーザを応用した製品についてまとめて紹介します。 ...続きを見る

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2008/04/27 20:48
半導体レーザの応用(光ディスク)
 半導体レーザはCDやDVDなど光ディスクへの情報の書き込み、読み出しにも使われています。半導体レーザが使われている数としてはこれがもっとも多いので、「 にも使われている」というのはむしろ適切ではないと言えます。 ...続きを見る

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2008/04/20 23:10
半導体レーザの応用(波長多重光通信)
 1本の光ファイバでできるだけ多くの情報を送るにはどうしたらよいでしょうか。1つ1つの信号をできるだけ早く送るようにすれば、一定の時間に送れる情報量は増えます。しかし無限に早くすることはできません。ではどうすればよいでしょうか。 ...続きを見る

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2008/04/13 23:28
半導体レーザの応用(光通信)
 半導体レーザそのものの技術について、大きなところは大体終わりました。もちろんまだ触れていないこともありますが、キリが無くなるのでこの辺りにしたいと思います。つぎに半導体レーザは何に使うのかについて、簡単に説明していくことにします。 ...続きを見る

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2008/04/06 23:12
長波長系垂直共振器型面発光レーザ
 垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL)は当初の予想に反してAlGaAs/GaAs系で発光波長が0.85μm前後のものが先に実用化されました。予想では最初に低温パルス動作が確認されたGaInAsP/InP系で発光波長が1.3〜1.6μmのものの方が素性がよさそうに思われていました。 ...続きを見る

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2008/03/30 20:17
垂直共振器型面発光レーザの実用化
 垂直共振器型面発光レーザを室温で連続動作させるためには、光の増幅利得を確保する必要があります。そのための手段としては光共振器の2枚の鏡の反射率を高くして光をできるだけ長く共振器内に留めることが考えられます。反射率が高いと外部に取り出せる光の量は減りますが、レーザ発振を持続させることが先決ですから、これは仕方ありません。 ...続きを見る

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2008/03/24 19:19
垂直共振器型面発光レーザ
 レーザ光を基板面から垂直方向に取り出すには、前回説明したように従来通り基板面に平行な方向に発生させたレーザ光を鏡や回折格子で折り曲げる方法があります。しかしそのようなことをせずにはじめから基板面に垂直な方向にレーザ光を発生させられないでしょうか。 ...続きを見る

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2008/03/16 18:15
表面放出型レーザ
 これまで紹介してきた半導体レーザは半導体基板の上に膜を積層して光導波路を作り、そのなかで光増幅を行いレーザ発振を起こさせるものでしたから、レーザ光は基板面に平行に出射されました。このタイプの半導体レーザは普通「端面発光型」と言います。導波路の端から光を取り出すという意味です。 ...続きを見る

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2008/03/09 19:29
単一縦モードレーザ
 ファブリ−ペロー型、つまり2枚の反射鏡で挟まれた光共振器を使ったタイプの半導体レーザは縦モードが多モードになりやすく、とくに電流をオン、オフするとほとんど多モード発振になってしまいます。べつにそれでも構わない使用目的なら気にしなくてよいのですが、光通信などの目的ではわずかでも波長が変化しては困ります。  そこで前回説明した回折格子を反射鏡の代わりに使うという考えが出てきました。まず分かりやすいのは、活性層の両端の反射鏡をそのまま回折格子に置き換える構造です。ただ回折格子の場合、反射鏡があった... ...続きを見る

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2008/03/02 19:04
半導体レーザの縦モード
 半導体レーザの発光波長は材料のバンドギャップエネルギーで決まることを説明してきましたが、この波長は大雑把なもので、実際には同じ材料で作った個々のレーザで発振波長はかなり異なります。これはHe−Neレーザなどのガス(気体)レーザやルビーレーザなどの固体レーザにはない性質です。 ...続きを見る

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2008/02/17 19:05
量子井戸レーザ
 分離閉じ込めヘテロ(SCH)構造はキャリアを薄い活性層に閉じ込め、光はその外側の光導波層に閉じ込めるという役割分担によってしきい電流を低くすることを可能としました。 ...続きを見る

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2008/02/11 11:25
低しきい電流化のための方策
 半導体レーザを動作させるためには電流を流さなければなりませんが、その電流は小さいに越したことはありません。電池で動作させている機器では大きな電流が必要な素子は使えません。また大きな電流を流していると素子そのものだけでなく、それ以外の周辺の回路からも熱が発生し装置の温度が上がり故障を引き起こしやすくなります。 ...続きを見る

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2008/02/03 16:29
発光波長と材料
 これまでに半導体レーザに用いられる半導体の材料系としてAlGaAs/GaAs系とGaInAsP/InP系の2種類を紹介しました。AlGaAs/GaAs系の発光波長は0.8〜0.9μm程度、GaInAsP/InP系は1.3〜1.6μm程度でした。 ...続きを見る

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2008/01/27 19:23
InP系埋め込みヘテロ構造
 GaInAsP/InP系を用いた長波長帯(1.3μm帯や1.55μm帯)の半導体レーザではAlGaAs/GaAs系とちがって格子整合というやっかいな問題があることを説明しましたが、この問題が解決されれば、半導体レーザの構造は基本的にはAlGaAs/GaAs系と同様なものが使えます。 ...続きを見る

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2008/01/20 18:29
ホームページ開設のお知らせ
 やっとのことでこのブログと兄弟のホームページ「電光石科」の開設に漕ぎ着けましたのでお知らせします。 ...続きを見る

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2008/01/15 20:07
InP系半導体レーザ
 半導体レーザはこれまでお話してきたようにまずはGaAsとAlGaAsのヘテロ接合を使って実用化されるに至りました。この組み合わせは幸運にもGaAsとAlAsの格子定数がほとんど等しいため、その中間の組成のAlGaAsはAlとGa比率を変えても格子定数がほとんど変化しません。そのためGaAs基板上に任意の組成のAlGaAsの結晶を作ることができました。逆に言うと格子定数が違う材料の組み合わせでは欠陥の少ない結晶を成長させることは難しいわけです。 ...続きを見る

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2008/01/13 21:44
端面破壊と窓構造
 5回ほど前に「半導体レーザ実用化に向けての課題」をまとめましたが、第1番目の課題として正常に動作していた半導体レーザが突然壊れてしまうという問題を挙げました。今回はこの問題に触れます。 ...続きを見る

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2008/01/05 16:34
利得導波型
 前回、屈折率導波型半導体レーザの話をしました。これは屈折率の高い部分を低い部分で囲んで光を閉じ込める構造を作ったものを言います。合わせてこの光を閉じ込めた部分に電流が流れやすくするような工夫が施されているものが多いです。 ...続きを見る

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2007/12/24 20:41
屈折率導波型
 前々回、前回と埋め込みヘテロ構造(BH構造)によって電流を狭い範囲に閉じ込め、かつ光も閉じ込めることができることを説明してきました。この構造では活性層は基板面に垂直な方向は層の厚みによって、基板に平行な方向は加工したストライプの幅によって画定されています。このような上下左右とも閉じ込め構造になっている光導波路を3次元導波路と言うことがあります。    この3次元導波路を活性層としたBH構造半導体レーザは設計通りに作れば特性は非常に良いのですが、問題は作るのに手間がかかり、製法上の問題で特性... ...続きを見る

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2007/12/16 19:30
埋め込みヘテロ構造
 前回、すでに埋め込みヘテロ構造(BH構造)についてお話しましたが、今回は後続の特許を紹介しながらもう少し追加説明をしておきます。初期の特許、1973年の出願の特開昭49-24084号(特公昭52-40958号)に続いて同じ出願人の日立製作所から塚田氏らを発明者とするBH構造に関する特許としては特開昭50-10985号(特公昭52-41107号)、特開昭50-119584号(特公昭52-48066号)などがあります。 ...続きを見る

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2007/12/09 20:40
電流の閉じ込め
 前回、第3番目の問題点としてあげたキンクの発生防止について先に考えます。これは電流を増やしていくと起こる変化と考えられています。活性層を流れる電流の様子は素子の構造に強く影響されます。 ...続きを見る

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2007/11/25 23:05
半導体レーザ実用化に向けての課題
 1970年に半導体レーザは室温で連続的に動作することが確認されましたが、それに至る経過をこれまでお話してきました。これに続く1970年代は半導体レーザを実用的な光源として使うことができるようにする努力がなされた期間です。ということは1970年に連続動作が達成されたからといってすぐに実用化ができたわけではなかったのです。 ...続きを見る

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2007/11/18 15:39
ダブルヘテロ接合半導体レーザ
 前回、シングルヘテロ(SH)構造半導体レーザの話をしましたが、ここからダブルヘテロ(DH)構造に至る道はそれほど遠くはありません。SH構造もDH構造もはたらきは基本的に同じだからです。ヘテロ接合はバンドギャップエネルギーの違う半導体を接合することですから、伝導帯や価電子帯に段差ができ、これによって電子や正孔の流れを堰き止めるようにはたらきます。 ...続きを見る

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2007/11/11 20:24
ヘテロ接合半導体レーザ
 4回ほど前にベル研究所の林氏らが初めて半導体レーザの室温連続動作を達成した際、出願された特許を紹介しました。その後、ヘテロ接合の発光素子への応用のルーツを調べてきました。その結果を簡単にまとめておきましょう。 ...続きを見る

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2007/11/04 19:20
液相エピタキシャル成長法
 前回、液相エピタキシャル成長(LPE)法の原理と基本的な装置の説明をしました。しかしこの方法で半導体レーザを作製するにはもうひと工夫が必要です。なぜかと言うとダブルヘテロ構造のコア層は普通数μmの厚みの層になりますが、前回の装置ではそのような薄い結晶膜を作るのは難しいからです。また組成の違う層を積み重ねて作ることも必要になりますが、それも難しいからです。 ...続きを見る

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2007/10/28 21:16
AlGaAs/GaAsヘテロ接合と液相エピタキシャル成長法
 ヘテロ接合の発光素子への応用については1960年代前半にすでに提案されていました。ただし具体例としてはゲルマニウムやシリコンと化合物半導体の組み合わせが提示されており、GaAs/Siの組み合わせを除くとその後、実際に活用されたものはほとんどありません。 ...続きを見る

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2007/10/21 20:11
ヘテロ接合発光素子
 前回は特公昭48-27513に基づいて、発光素子へのヘテロ接合の適用について説明しました。このなかで誤りがありましたので、まず訂正しておきます。この特公昭48-27513は最初の出願国アメリカでは特許になっていないと書きましたが、これは調査不足で誤りでした。アメリカ特許3309553号が元の特許として登録になっています。 ...続きを見る

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2007/10/08 14:56
ヘテロ接合の活用
 半導体レーザが室温で長い時間動作し続けられるようになった技術的ポイントはダブルヘテロ接合の採用にありました。1962年に半導体レーザが液体窒素の温度で初めてパルス動作したときは単一のホモ接合でしたから、1970年までの間にヘテロ接合の利用という新しい発想があったはずです。 ...続きを見る

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2007/09/30 19:59
半導体レーザの室温連続発振
 半導体レーザは最初、77Kという低温でしかもパルス電流でしか動作しませんでした。レーザ発振のためにあまりにも大きな電流を流さなければならず、少しでも長い時間電流を流し続けると、接合が過熱して融けてしまったためです。冷却せずに室温で長い時間動作させ続けるためには無駄な電流をできるだけなくして過熱を避けることが必要でした。 ...続きを見る

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2007/09/16 16:28
半導体レーザの初動作(その2)
 前回、初めて動作した半導体レーザに関するIBM社の日本特許を見ました。今回はその続きで、GE社の特許を少し読んでみましょう。1962年にアメリカの4つの研究機関が半導体レーザの動作を確認し、発表しましたが、その中ではGE社がもっとも早かったようです。 ...続きを見る

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2007/09/09 19:17
半導体レーザの初動作
 半導体レーザのアイデア、言い換えればpn接合に電流を注入することによるレーザ動作についてのアイデアは1960年以前にすでにありました。それではこのアイデア通りのレーザ発振はいつ頃確認されたのでしょうか。 ...続きを見る

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2007/09/02 19:45
半導体レーザのアイデア
 前回までで半導体レーザの基本的な成り立ちについてはほぼ説明が終わりましたので、これからは少し半導体レーザの発展を辿りながら、いろいろな面を見ていきたいと思います。例によって特許を参考にしながら進めます。 ...続きを見る

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2007/08/26 19:23
導波モード
 レーザでは縦モードとか横モードとか「モード」という語がよく出てきます。この導波モードもその一つです。モードという語を辞書で引いてみると、一般語の訳としては様式とか方式という語が載っています。○○様式とか××方式というと、単純に言えないような複雑な性質を引っくるめて分類するような場合に使われると思われます。    レーザの分野で専門用語として使われるモードは、本来電磁波の分野から来たものです。「姿態」いう耳慣れない訳語が当てられていましたが、最近はあまり使われなくなっているようです。電磁波と... ...続きを見る

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2007/07/29 19:01
光導波路
 光導波路とは何かと問われたら、読んで字の通り、波を導く路なのですが、光が付いているので波のなかでもとりわけ光波を導く路ということになります。英語では”optical waveguide”ですが、導波路はwaveとguideが離れていない一つの単語になっています。日本語でも英語でも「光」は省略され、単に導波路と言うこともよくあります。 ...続きを見る

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2007/07/22 18:39
半導体レーザの基本構造
 半導体に電流を流して発光させるための構造は発光ダイオードでも半導体レーザでも基本的には同じです。基本はpn接合に順方向に電流を流すことです。順方向とはp側がプラス、n側がマイナスになるように電源を繋ぐ方向のことですが、こうするとn側から電子、p側から正孔が流れ込み、接合部分で両者が出会い、電子が正孔に向かって落ち込むときに光が出ます。 ...続きを見る

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2007/07/15 18:56
発光ダイオードと半導体レーザ
 pn接合やダブルヘテロ接合に電流を流すと、エネルギーの高い伝導帯に電子が流れ込み、エネルギーの低い価電子帯には正孔が流れ込むため、エネルギーの高い伝導帯に電子が多い状態が実現します。この状態で伝導帯と価電子帯のエネルギー差に等しい光が入射すると、これはまさに誘導放出が起きる条件を満たしています。となると発光ダイオードでも同じような状態なのになぜ自然放出だけが起きてレーザにはならないのだろうかという疑問が出てくるのではないでしょうか。 ...続きを見る

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2007/07/08 18:58
半導体の接合での誘導放出
 前置きがだいぶ長くなりましたが、やっと半導体レーザの話に入ります。少し前に、半導体レーザは外から光を当てていないのになぜ誘導放出が起こるのか、という疑問を書きました。今回はこれについての回答となる話です。 ...続きを見る

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2007/07/01 21:25
レーザ発光現象:誘導放出
 いよいよ半導体レーザについての話を進めていくことにします。レーザ発光の大元はこれまでにもお話ししているように誘導放出という現象です。LASERの3番目と4番目の文字、SとEはStimulated Emissionの略ですが、これの日本語訳が誘導放出です。英語ではInduced Emissionとも言われ、誘導放出はむしろこちらの直訳という気がします。Stimulatedは辞書で調べると、「刺激された」という意味ですが、Inducedの方はまさに「誘起された」とか「誘導された」という意味です。ニ... ...続きを見る

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2007/05/20 11:53
半導体レーザ(全体を見渡す)
 前回、つぎは誘導放出についての説明を始めると書きましたが、もう少し全体を見渡してから本題に入った方がわかりやすいかなと思い直しました。半導体レーザはいろいろな技術、知見が駆使されてできています。そこでまずはどんな技術が使われているかをまずリストアップし、それらを順に説明していくことにしたいと思います。 ...続きを見る

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2007/05/13 12:27
半導体レーザ
 今回から新しい話題「半導体レーザ」に入ります。まずはイントロダクションです。 ...続きを見る

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2007/05/05 21:09
つぎの話題
 これまでおよそ1年にわたって電界効果トランジスタを話題にしてきましたが、ようやく一段落しました。いくつか触れていない気になることもありますが、MOSFET単体だけでなく、メモリーやCCDへの応用やTFT、接合型FETなどかなり広くお話できたと思います。 ...続きを見る

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2007/04/28 15:35
高校数学でわかる半導体の原理
 「高校数学でわかる半導体の原理」(ブルーバックス、講談社)という本がでました。このブログ「石ころと砂粒の世界」で扱っている話題に近い内容が書かれているので興味をもって読んでみました。 ...続きを見る

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2007/04/22 18:42
HEMT
 MESFETはゲート絶縁膜が不要なので移動度の大きいGaAsなどの化合物半導体のFETが実現できます。しかし実際に高速なFETを作ろうとすると問題も出てきました。いかに移動度が大きくてもチャンネルに電子があまり多くいないようではソース−ドレイン間に十分な電流を流すことができず、トランジスタの性能としてはよくありません。チャンネルとなる半導体中に多くの電子を供給するためには、ドナーとなる不純物をたくさん導入すればよいのですが、これをすると問題が起こります。 ...続きを見る

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2007/04/15 12:37
MESFET
 ゲート絶縁膜のないFETとして前回、接合型FET(JFET)を取り上げましたが、この他にショットキー接触を使ったFETがあります。まずショットキー接触について復習しておきます。 ...続きを見る

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2007/04/08 20:07
ゲート絶縁膜のないFET
 これまで話題にしてきたMOSFETあるいはMISFETと違ってゲート絶縁膜のない電界効果トランジスタ(FET)もあります。この部類に属するトランジスタにはいくつか種類がありますが、それらのいくつかをこれから取り上げてみることにします。 ...続きを見る

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2007/04/01 23:48
低温ポリシリコンTFT
 ガラス基板上に粒径の大きいポリシリコン(p−Si)膜を低温で作る方法を紹介しましたが、実際には少しずつ違ういろいろな方法が開発されています。微妙なノウハウなど公表されていない場合も多いと思われます。しかしまだアモルファスシリコン(a−Si)膜のように大きな面積にわたる膜をつくるのは難しいようです。それでもa−Siの弱点をカバーできるので、比較的小さい液晶パネルにはp−SiのTFTが使われるようになっています。 ...続きを見る

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2007/03/25 12:13
低温ポリシリコン膜
 水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)を使ったTFTはアクティブマトリックス液晶ディスプレイに応用され実用化されています。しかし以前にも触れたようにa−Si・TFTにも問題がないわけではありません。もっとも大きな不満は移動度が小さいためにスイッチング速度が遅いということでしょう。液晶も分子が向きを変えて画像を切り換えるので動作は決して速くなく、その切り換えだけならa−Si・TFTでも充分使えます。 ...続きを見る

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2007/03/21 23:41
アクティブマトリックス液晶ディスプレイ
 前回、TFTによって各画素にかかる電圧をスイッチするアクティブマトリックス方式の液晶ディスプレイについて説明しました。今回はTFTの使われ方についてもう少し具体的に説明しましょう。 ...続きを見る

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2007/03/17 19:44
液晶ディスプレイ
 TFTの用途はというとほとんどディスプレイ用といってよいと思われます。それも液晶ディスプレイ用です。液晶ディスプレイになぜTFTが使われるのでしょうか。液晶ディスプレイは別に画素ごとにトランジスタのようなスイッチ素子を設けなくても画像を表示できます。たくさんの画素を碁盤の目のように並べ(マトリックス状に並べると言います)、各画素のところで交差するように縦横の電極で液晶セルをはさんだだけの構造でも表示はできます。この方式を単純マトリックス方式と呼び、例えばモノクロの数字を表示するだけでよいような... ...続きを見る

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2007/03/11 20:29
MOSFETとの違い
 a−Si・TFTとMOSFETは同じ絶縁ゲート型電界効果トランジスタであり、基本的な動作原理は似ていますが、違うところにもよく注意しておく必要があります。今回はそのいくつかについて説明します。 ...続きを見る

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2007/03/04 23:31
TFTの素子構造
 1979年に水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)によってTFTが作れる見通しが見いだされた後、1980年代後半には液晶ディスプレイ用スイッチング素子としてTFTは早くも実用化されることになります。 ...続きを見る

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2007/02/25 20:01
アモルファスシリコン
 薄膜トランジスタ(TFT)は早くから提案され、とくにディスプレイの画素切り換え用スイッチ素子として期待されていましたが、なかなか実用化されませんでした。その主な原因はつぎのようなものです。ディスプレイ画面はそこに画像や文字などを表示するわけですから、一定の大きさが必要です。この点は半導体メモリーなどとはまったく異なります。メモリーの場合はきちんと動作するスイッチができれば大きさは小さいほどよく、結晶シリコン基板にできるだけ多くのMOSFETを作り込むことで実現されてきました。ディスプレイの場合... ...続きを見る

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2007/02/18 20:28
薄膜トランジスタ
 今回から薄膜トランジスタの話に入ります。薄膜トランジスタというよりTFTという方が通りがいいかもしれません。TFTはThin Film Transistorの略ですが、数年前にはノートパソコンの液晶ディスプレイの謳い文句としてこの語を広告等でよく目にしました。今やデスクトップ型パソコンの液晶ディスプレイや大型の液晶テレビが普及し、これらではTFT方式は当たり前になっています。 ...続きを見る

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2007/02/12 12:47
CMOSの固体撮像素子への応用
 最近、ビデオカメラのテレビコマーシャルに「CMOSセンサーだから・・・」というコピーが使われていました。固体撮像素子としてはこれまでCCDが中心的な存在でしたが、最近は携帯電話用のカメラやデジタルカメラなどの撮像素子にCMOSイメージセンサーが多く使われるようになっています。 ...続きを見る

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2007/01/28 19:02
CCDの固体撮像素子への応用
 前回の最後にも触れましたが、CCDを最初に提案したベル研究所の特許(米国特許3858232号)にはすでにCCDがビデオカメラに応用できると書かれています。Fig.14(ここには載せません)がそれで、明細書の16ページ目の右側(14コラム)の一番上から説明がなされています。 ...続きを見る

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2007/01/21 22:46
CCD
 今回はCCDです。前回も触れたようにCCDはCharge Coupled Device (電荷結合素子)の略で、代表的な電荷転送素子です。前回説明したBBDより1年遅れてベル研究所から提案されました。ですからBBDと独立というより、BBDを改良する発明と言った方がよいかと思います。それにしてもベル研究所がトランジスタの発明に始まり、MOSFET、浮遊ゲート、CCDと現在もっとも多く使われているデバイス群を次々と生み出しているのは驚きです。 ...続きを見る

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2007/01/13 19:58
電荷転送素子
 昨年末までずっと半導体メモリーの話をしてきましたが、年明けから少し話題を変え、電荷転送素子について説明します。電荷転送素子とは聞き慣れないかもしれませんが、CCDと言えばご存じでしょう。CCDはCharge Coupled Device (電荷結合素子)の略ですが、電荷転送素子の一つです。CCDはデジタルカメラやビデオカメタの心臓部の撮像素子として使われています。デジタルカメラの広告などで何百万画素という言葉をよく聞きますが、これはこの撮像素子の画素の数を示しています。 ...続きを見る

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2007/01/07 20:35
抵抗変化型メモリー
 半導体磁気メモリーも相変化メモリーも広い意味で抵抗値を記憶に使うメモリーです。ここで言う抵抗変化型メモリー(ReRAMとも呼ばれています)も抵抗値を記憶する点では同じですが、原理は少し違ったものです。 ...続きを見る

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2006/12/30 20:33
相変化メモリー
 もう少しだけ半導体メモリーの話を続けます。つぎは相変化メモリーです。相変化とは何でしょうか。水は0℃を境に固体の氷になり、100℃を境に気体の水蒸気になります。これが典型的な相変化です。固体状態を固相、液体状態を液相、気体状態を気相と言い、それぞれの相が変わるのを相変化あるいは相転移と言います。 ...続きを見る

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2006/12/23 23:51
半導体磁気メモリー
 強誘電体の分極のつぎは磁気を使った半導体メモリーの話です。強磁性体の磁化特性をメモリに応用することはもちろん古くから知られていて、現在でもハードディスクはメモリの中心的な存在です。ただハードディスクはディスクを回転させてディスク上のどこかに情報を記録したり読み出したりするものです。その他の磁気ディスクや磁気テープといわれるものはいずれも記憶するもの(記憶媒体)を動かすものでした。 ...続きを見る

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2006/12/17 23:02
トランジスタを使った強誘電体メモリー
 強誘電体の分極はそれ自体、記憶作用をもっています。しかしこれを広く応用するためにはやはり既存の半導体集積回路のなかに取り込んでいく必要があります。具体的にはシリコンを使ったMOSFETと組み合わせることを考える必要があります。このような提案は1988年に初めて行われました。 ...続きを見る

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2006/12/10 12:15
強誘電体メモリー(強誘電体とは)
 浮遊ゲートを使った不揮発性半導体メモリーについてはまだまだ話題はありますが、ひとまず区切りとして、別の半導体メモリーへ話を移します。浮遊ゲート式以外の不揮発性メモリーは多くの種類が研究され、製品化に近いものもありますが、広く使われる至っていません。浮遊ゲートではトンネル効果とかホットエレクトロンとかいろいろな物理現象が登場しましたが、メモリーの話では特に多彩な物理現象が利用されます。これから説明しようとしているいくつかのメモリーもそれぞれ違った物理現象を利用している点で興味深いと思います。 ... ...続きを見る

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2006/12/02 20:13
多値フラッシュEEPROM
 半導体集積回路の場合、それを作るコストのなかで材料費、とくに半導体基板の占める割合はかなり大きいと言えます。ですから同じ性能のデバイスを半分の面積で作れれば、多少、工程が複雑になって生産設備が高価になっても、デバイスの値段は下がります。EEPROMはNAND型の回路を採用することで、各MOSFETへの配線のためのスペースが減り、同じ面積の基板に詰め込めるメモリセル(MOSFET)の数が増大し、その結果値段が大幅に下がりました。 ...続きを見る

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2006/11/26 12:22
フラッシュEEPROM
 EEPROMで記憶情報を電気信号を使ってどのように消去しているかを説明してきました。電気的な消去ができるようになってもEEPROMにはまだ大きな課題がありました。メモリーの重要な性能は記憶できる情報の量(記憶容量)です。もちろん1ビットを記憶するメモリーセルができれば、あとはそれを必要なだけ繋げれば記憶容量は無限に増やせます。でもメモリーセルの数を増やせばそれだけチップつまり石が大きくなります。これはコスト、つまり値段がどんどん高くなることです。 ...続きを見る

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2006/11/18 19:52
EEPROM−記憶した情報の消去法(その2)−
 EEPROMで記憶情報を消去する原理として前回、トンネル効果を使って浮遊ゲートから半導体基板へ電子を引き抜く方法を説明しました。この方法は浮遊ゲート方式の半導体メモリーが発明された当初から考えられていたものです。繰り返しになりますが、難点は非常に薄い絶縁膜を作らなければならないことです。 ...続きを見る

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2006/11/11 21:51
EEPROM−記憶した情報の消去法(その1)−
 EPROMは電気信号で情報を書き込める不揮発性半導体メモリーでしたが、情報の消去は紫外線を当てて行います。しかしこれでは不便で、消去も電気的に行えるようにしたいというのは当然の要求でした。一方でメモリーセル当たりの面積をできるだけ小さくして、小さな石に大量の情報を記憶できるようにしたいという要求もありました。勿論、書き込み、読み出し、消去の各動作を高速にしたいという要求もありました。 ...続きを見る

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2006/11/05 20:48
EPROM
 浮遊ゲートを使った不揮発性半導体メモリーについて、特許を見ながら説明してきました。繰り返しになりますが、メモリーは1個の素子だけでは1か0かの1ビットの情報しか保存できませんから、何の役にも立ちません。多数の素子を並べてはじめて多くの情報を保存できます。これは前に説明したDRAMやSRAMだけでなく、情報を読み出せるだけで後から書き込むことができないROMでも同じです。 ...続きを見る

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2006/10/28 23:27
電子なだれ破壊
 浮遊ゲートを使った不揮発性半導体メモリーを最初に実用化したのはこれもインテル社ですが、まずは同社が1970年に出願した米国特許を見てみることにします。これは米国特許3660819号で、日本には出願されていません。この特許は半導体メモリーの分類には入っていないため、検索ではヒットしませんでしたが、他の特許の孫引きで見つかりました。 ...続きを見る

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2006/10/21 23:33
不揮発性半導体メモリー
 DRAMやSRAMは電源をオフにすると記憶が消えてしまう揮発性のメモリーでした。記憶を保つためには電源を常時オンにしておく必要があります。バックアップ用の電池を使うなどの手段をとればよいのですが、これでは消えたら取り返しのつかない重要な情報の保存にはあまりに不安です。もちろんハードディスクなどの磁気メモリーを使えばよいのですが、ディスクを回転させヘッドが指定された場所へ移動して情報を読み出したり書き込んだりする原理なので、常時情報を出し入れする目的には動作が遅すぎます。 ...続きを見る

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2006/10/01 20:04
SRAM
 半導体メモリーの代表選手としてDRAMを紹介しましたが、同じような揮発性でランダムアクセスのメモリーとしてSRAM(Static Random Access Memory)というものがあります。今回はこれを簡単に紹介しましょう。 ...続きを見る

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2006/09/24 22:56
石ころDRAM
 石としてのDRAMはどんなものなのか、前回取り上げたインテル社の特許(特開昭51-137339)を参考に見ていきます。この特許はDRAMの素子構造の改善を扱っていますが。改善前がどうだったのかは特許だけではわかりにくいので、新たに図を作って説明しましょう。 ...続きを見る

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2006/09/18 19:39
DRAM
 前回より半導体メモリーの話に入りましたが、今回はその代表格のDRAMの話です。 DRAMとはDinamic Random Access Memoryのことで、前回の分類で言えば、揮発性、書き換え可能、ランダムアクセスのメモリーです。 ...続きを見る

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2006/09/10 19:34
半導体メモリー
 CMOSの話をしばらくしてきましたが、より具体的なMOSFETの応用素子である半導体メモリー(半導体記憶素子)に話を移しましょう。 ...続きを見る

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2006/09/03 17:49
石ころCMOS(5)−金属薄膜のパターニング−
 金属の薄膜を基板上に付ける技術について前回説明しましたが、MOSFETなど半導体デバイスの電極や配線を作るためには必要な場所だけに金属薄膜を付けなければいけません。ゲート、ソース、ドレインに電圧をかけ、また電流を流すために決まった位置に電極が必要ですが、それだけではありません。 ...続きを見る

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2006/08/20 12:35
石ころCMOS(4)−金属電極の作製−
 MOSFETに限らず半導体デバイスでは金属電極はデバイスを動かすためにどうしても必要ですから電極付けは重要な工程です。電極にはアルミニウムや銅などの金属の薄膜が使われます。このため、金属の薄膜を作る技術が必要になります。 ...続きを見る

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2006/08/13 13:33
石ころCMOS(3)
 今回は(ハ)以降です。図面をもう一度、載せます。(ハ)以降のMOSFETを作る工程は、最後の金属電極を作るところを除くと、これまで説明してきた、SiO2膜の形成、フォトリソグラフィによるSiO2膜の穴開け、p型またはn型不純物の拡散の繰り返しになります。 ...続きを見る

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2006/08/06 19:04
石ころCMOS(2)
 前回の図で(イ)を作るところまで説明しました。これだけでもずいぶん手間暇がかかっているのがおわかりかと思います。今回は(ロ)です。シリコン基板1はn型ですが、SiO2膜2に窓3が開いた(ロ)の斜線部分4だけp型に変えます。 ...続きを見る

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2006/07/30 13:21
石ころCMOS
 しばらくMOSFETを使った電子回路の話が続きましたが、石ころに話を戻しましょう。CMOSをどうやって1つの石ころとして作るか、という話です。前回紹介した特許(特公昭43−22738号)にも作り方は書かれていますが、これは非常に早い時期の出願ですので、もう少し作り方が確立してきた頃の特許を探してみました。 ...続きを見る

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2006/07/23 16:17
CMOS
 MOSFETは多数個を集積した集積回路でよく使われる回路構成にCMOSと呼ばれるものがあります。CはComplimentalyの頭文字をとったもので、日本語では相補型MOSと言います。まずは回路図(図A)を見て下さい。 ...続きを見る

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2006/07/16 20:00
論理回路
 MOSFETは多数個を集積した集積回路として使われますが、それを説明するためにはもう少し回路の話をしなければなりません。デジタル回路について説明します。デジタルの世界は0と1の2値の世界です。別に2値でなければならないことはないのですが、電子回路で実現するには2値がもっとも簡単です。2種類の電圧を決め、高いときを1、低いときを0に対応させればよいわけです。 ...続きを見る

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2006/06/25 18:30
MOSFETを使ったインバータ
 前回ご紹介したMOSFETに負荷抵抗をつないだ回路の動作を説明しましょう。MOSFETのソース−ドレイン間電流とドレイン電圧の関係は以前にも説明したことがありますが、図のようになります。この図の横軸がドレイン電圧Vds(ドレイン電極とグランド間の電圧のことです)、縦軸がソース−ドレイン間電流Idsです。特性はゲート電圧Vgを4種類変えた場合を示しています。折れ曲がった直線で示していますが、これは簡単化したもので、実際には滑らかな曲線になります。 ...続きを見る

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2006/06/17 18:02
MOSFETの使い方
 前回まででMOSFETそのものの説明は大体終わりました。でもこれをどのように使うのかについてはあまり説明していません。ここでは石ころについてのお話が主で、電子回路にはあまり立ち入るつもりはありませんが、とはいってもトランジスタが使われるのは電子回路のなかでですから少しは説明したいと思います。 ...続きを見る

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2006/06/06 21:32
絶縁膜中の電荷
 MOSFETの実用化が遅れた理由の一つは半導体と絶縁膜の界面にできる界面準位でしたが、実はそれだけではなかったのです。絶縁膜中にも理想的にはないはずの電荷があったのがMOSFETが思い通りに動作してくれないもう一つの原因でした。 ...続きを見る

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2006/05/28 23:38
半導体と絶縁膜の界面
 MOSFETでは、ソース−ドレイン間電流をゲート電極にかける電圧でコントロールしています。以前に触れたことがあるようにMOSFETのこの原理は早くから提案されていたのに実用化はバイポーラトランジスタより遅れました。それはなぜだったのでしょうか。MOSFETでは半導体の上に絶縁膜という異質なものが付いています。これが理屈通りのものを作るのを難しくしていた原因です。 ...続きを見る

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2006/05/23 23:47
ソース−ドレイン間電流
 MOSFETではソース−ドレイン間を流れる電流をゲート電圧によってコントロールします。ゲートには酸化膜があるので電圧をかけるとコンデンサの原理でソースとドレインの間の部分の半導体の状態を変えていることは前回、説明しました。それではソース−ドレイン間に流れる電流はどのような特性をもっているでしょうか。 ...続きを見る

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2006/05/06 13:05
静電容量の話
 突然なぜ静電容量なの?と思われた方もあるかも知れません。でも何を言い出すかお分かりの方も多いでしょう。前回、MOSFETはゲート電圧でチャンネルの状態をコントロールしていると説明しました。このゲート電圧はゲート酸化膜を介して反対側の半導体に影響を与えます。でも酸化膜は絶縁体ですから電流が流れません。どのような原理でゲート電圧がチャンネルのある半導体側に作用するのでしょうか。ここで静電容量が出てきます。 ...続きを見る

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2006/04/29 21:20
MOSFETの基本構造
 MOS型電界効果トランジスタ(Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor、MOSFET)の基本動作を考えてみます。前回特許図面を掲載しましたが、少しわかりにくいところもあるので、改めて断面図を描いてみました。 ...続きを見る

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2006/04/23 18:26
MOS電界効果トランジスタとは
 まずはじめにMartin M. Atalla氏が発明者の米国特許3056888号(以後、888特許と略称します)を見ながらMOS電界効果トランジスタとはどのようなものかを説明していきます。 ...続きを見る

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2006/04/16 20:13
MOSトランジスタの教科書探し
 前回お話したようにこの「石ころと砂粒の世界」での教科書は特許です。今回はこの教科書探しをします。MOSトランジスタについては膨大な特許が出願されているので、闇雲に探してもどれにしたらよいか決められないと思います。少し歴史的な知識を知っておく必要があります。 ...続きを見る

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2006/04/15 23:45
青色発光ダイオードからトランジスタへ
 4月になりました。心機一転の季節です。「石ころと砂粒の世界」も青色発光ダイオードを卒業して、つぎはどのイシの世界へ入って行くか、前回少しくどくどと書きました。そしてパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、デジタル音楽機器など身の回りに溢れるエレクトロニクス機器を支えているトランジスタの世界へ入るのが王道かなあと考えました。 ...続きを見る

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2006/04/02 18:35
つぎのテーマはデジタル?
 このブログ「石ころと砂粒の世界」の「イシ」は半導体の意味なのですが、最初のテーマとして、青色発光ダイオードを取り上げました。そして中村修二氏の特許を読みながら、発光ダイオードの原理を説明してきました。約半年かかってようやくこのテーマが一段落したところです。 ...続きを見る

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2006/03/26 19:56
白色発光ダイオードの基本特許(その4)
 最初考えていたよりこの話が長くなってしまいました。今回で白色発光ダイオードはおしまいにします。 ...続きを見る

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2006/01/21 17:59
白色発光ダイオードの基本特許(その3)
 またまた前回からのつづきですが、分割出願、特願平9ー306393号はどのような特許になったかを見てみましょう。その前に、例によって特許電子図書館の経過情報を覗いておきます。出願情報と審判情報を開いてみると、この出願は拒絶理由通知に応答したのち、登録査定になりましたが、その後、異議申立を受けていることがわかります。4ヶ所から異議申立がなされています。登録査定後、激しく包袋の閲覧請求が行われていることから見ても、かなり業界における利害が絡んだ特許であることがわかります。 ...続きを見る

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2006/01/14 20:22
白色発光ダイオードの基本特許(その2)
 さて前々回からのつづきですが、青色発光を蛍光体により波長変換して白色にする白色発光ダイオードについての日亜化学の特許(特願平3−336011号)とその分割出願群について内容を見ていきましょう。 ...続きを見る

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2006/01/08 19:02
白色発光ダイオード
 困難な課題であった青色を発光する発光ダイオードの開発に多くの研究者が取り組んだのは、やはり石ころを光らせてあらゆる色(フルカラー)を出したいという夢があったためと思います。クリスマスが近づいて1年中で一番、町中のイルミネーションが華やかになる時期ですが、やはり青色や深い緑色の発光ダイオードが使えるようになって、色合いに変化がつき美しさが増したように思います。 ...続きを見る

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2005/12/18 20:13
ダブルヘテロ構造
 前回の特許調査で見つかった特許2560963号、2560964号をもう一度見てみましょう。n型のGaNとp型のGaNの間にInGaNという混晶を挟んだ構造、すなわちダブルヘテロ構造が書かれています。発光ダイオードにこのようなダブルヘテロ構造を用いることはすでに知られていて、AlGaAs系の赤色発光ダイオードとして実用に付されています。 ...続きを見る

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2005/12/11 23:51
さらに特許検索
 技術内容を表す言葉をキーワードにして検索する場合、「公報テキスト検索」の検索項目としては、「発明の名称」、「請求の範囲」、「要約」、2つをまとめた「要約+請求の範囲」があります。要約は公開公報に掲載されると特許公報には繰り返して掲載されませんので、要約で特許公報を検索するのはあまり意味がありませんが、検索項目には「要約+請求の範囲」を選ぶのが無難だと思います。 ...続きを見る

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2005/12/03 18:48
ヘテロ接合
 これまでpn接合の話をしてきましたが、同じ材料、例えばGaN同士とかGaAs同士とかで接合を作ることしか説明してきませんでした。このような同じ材料同士の接合をホモ接合と言います。これに対して異なる材料で作る接合をヘテロ接合と言います。 ...続きを見る

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2005/11/23 12:54
混晶の役割
 791特許の[従来の技術]のはじめの部分に窒化ガリウム系化合物半導体としてにGaxAl1-xN(ただし0≦x≦1)という材料がでてきます。このような材料にはいままで触れずにきましたが、これはGaNのGaの一部を同じV族元素のアルミニウム(Al)で置き換えたものを意味しています。xは組成比などと呼ばれる比率で、0.9ならば10%だけがAlで90%はGaということです。こういう結晶を混晶と言います。 ...続きを見る

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2005/11/19 11:39
p型、n型の見分け方
 今日の話題に入る前に前回の訂正を一つ。前回冒頭に「791特許には熱処理をするとどうしてp型ができるのかについては書かれていません。」と書きましたが、これは正しくありませんでした。[0022]から[0023]にかけて説明がされていました。内容は前回説明したのとほぼ同じです。  さてこれからはこれまで触れてこなかった話題を791特許のなかから拾っていきます。最初は半導体のp型とn型を見分けるにはどうするのか、という話です。これは半導体を扱う技術者にとっては基本中の基本ですが、実際に測定するのは... ...続きを見る

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2005/11/12 16:44
p型GaNの作り方(つづきのつづき)
 ところで791特許には熱処理をするとどうしてp型ができるのかについては書かれていません。特許の明細書としては別にそこまで書かなくてもよいでですが、科学的には、GaNではなぜ理屈通りにp型ができず、加熱するとそれが可能になるのかは解明すべき問題です。 ...続きを見る

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2005/11/06 12:09
p型GaNの作り方(つづき)
 p型用の添加物を入れて(ドープして)結晶成長し、もう一度400℃以上に加熱(アニール)するとp型GaNができるというのが791特許の請求項1ですが、ここにはそれ以外の条件が書かれていません。実際にはさらに周囲の条件が必要です。その一つが請求項2に書かれた加圧した窒素中で行うというものです。 ...続きを見る

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2005/11/03 23:25
p型GaNの作り方
 発光ダイオードの発光原理の説明に5回ほどかかってしまいました。そもそもこれは青色発光ダイオードを作るのに、何が難しかったのかを探るための準備でした。いよいよその本題に戻ろうと思います。 ...続きを見る

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2005/10/29 19:53
LEDの発光
 前回、ようやくpn接合にたどり着きました。今回はこれに電流を流して発光させる話をします。 ...続きを見る

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2005/10/22 12:08
pn接合とは
 前回、半導体のp型とn型の話をしました。半導体をデバイスとして利用するためにはこのp型とn型は極めて重要です。とくにこのp型とn型をくっつけるといろいろ特別なことができます。このp型とn型をくっつけたものをpn接合と言い、半導体デバイスでは極めて重要な役割をもっています。そもそもこのように半導体について基本的なことを説明し始めたのは、青色発光ダイオードを実現するための技術を理解するためでしたが、このダイオードとは正にpn接合でできているのです。 ...続きを見る

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2005/10/19 23:35
p型とn型の話
 半導体の発光は、塀の上に飛び乗った猫が再び地面に飛び降りるように、伝導帯の伝導電子が価電子帯に落ちるときに起こるということを前回説明しました。ところが純粋な半導体(真性半導体と言います)では伝導電子の量が多くないので、強く光らせるのは大変です。伝導電子を増やすために、高い温度に加熱したり、光を当てたりして、エネルギーを供給してやる必要があります。これでは普通の生活のなかで使える発光ダイオードにはなりません。 ...続きを見る

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2005/10/15 20:26
石ころの中の電子
 石ころが光るのはそれを作っている原子がもっている電子がエネルギーを放出するからだと説明しました。前回、原子核の周りを1個の電子が回っている絵を描きましたが、これは一番簡単な水素原子が空中に孤立しているのをモデルにした絵です。半導体となる原子はもっと原子番号が大きいものですから、電子の数が多くこのような簡単な絵では表せなくなります。それに固体の半導体は例え砂粒程度でもものすごい数の原子からできていますから、とても1個1個の原子に注目しているわけにはいきません。 ...続きを見る

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2005/10/10 12:46
石ころはなぜ光る
 青色発光ダイオードの実現がなぜこれほど難しかったかを理解するには、発光ダイオードとはどんなものかを知る必要があります。それをこれから説明してみます。半導体の知識をお持ちの方はお読みいただく必要はありません。 ...続きを見る

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2005/10/08 18:45
GaNの結晶成長以外にも必要な技術がある
 以上、特許2628404号を見てきましたが、あの大きな訴訟の対象となった特許にしてはどうもいまひとつです。誰かがもう一度無効審判を起こしたら潰れてしまうかもしれないような危ういものを感じます。しかし何度も言ってきましたが、中村氏以前にはだれもデバイスを作り込めるレベルのGaN結晶膜を作ることができませんでした。これは厳然たる事実です。しかし現在、日亜化学はもはやこの特許の方法を使っていないとも言われます。ということはGaN結晶を成長させるにはこの特許には書かれていない別のポイントがあって、それ... ...続きを見る

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2005/10/01 23:58
自分なりに検証する
 異議申立をした人は2つの証拠(特開昭63−7619、特開昭63−28868)にこの特許の請求項に書かれた発明はすでに記載されていると主張していますが、自分なりに検証してみましょう。 ...続きを見る

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2005/09/30 00:08
請求項の変遷を追う(つづき)
 まず公開公報に掲載されている出願時の請求項をみてみると、つぎのようになっています。 ...続きを見る

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2005/09/21 23:32
経過情報(その2)
 前回のつづきです。  審査記録の中程に「拒絶理由通知書」とあります。発送日が平成8年9月ですから、審査請求を平成6年1月にしてから2年半以上も経っていることになります。現在は少し改善されているようですが、審査結果が出てくるのに2年以上もかかると出願した人も内容を忘れてしまいそうです。さてこの拒絶理由通知は審査をしたけれども、これこれの理由があって特許にするわけにはいかないよ、という特許庁の審査官から出願人に宛てた連絡です。この特許にできない理由が拒絶理由で、これは特許法にこれとこれとこれとい... ...続きを見る

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2005/09/14 23:33
特許の権利範囲
 発明の意義がわかったところで、これが特許としてどのような権利になっているかというと、それは「特許請求の範囲」の表現をみればよいわけです。この特許の請求項1はつぎのように書かれています。    「加熱された基板の表面に、基板に対して平行ないし傾斜する方向と、基板に対して実質的に垂直な方向からガスを供給して、加熱した基板の表面に窒素化合物半導体結晶膜をMOCVD法でもって常圧で成長する方法において、  基板の表面に対して実質的に垂直な方向には、反応ガスを含まない不活性ガスの押圧ガスを供給し、... ...続きを見る

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2005/09/07 23:54
結晶膜の作り方
 実施例1の先に進むと、いよいよ結晶膜の成長の段階になります。もっともよく使われている半導体材料はシリコン(Si、日本語では珪素)ですが、このSiという元素は周期律表でみるとW族です。ゲルマニウムもW族の半導体です。周期律表でW族の両側にあるV族とX族の組み合わせ、あるいはU族とY族の組み合わせの化合物にも半導体として知られているものが多いです。V族のAl、Ga、Inなどの金属とV族のP、As、Sbなどとの化合物はV−V族化合物半導体としてよく知られています。GaNやAlNもNはV族ですからV−... ...続きを見る

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2005/09/03 19:11
結晶成長の話
 ようやく少し技術的な内容に立ち入れるところに来ました。この特許2628404号は、窒化ガリウム(GaN)の結晶薄膜を気体原料を反応させて成長させる方法に関する発明を内容としています。反応ガスを基板の横方向から基板表面に対して平行かあるいは少し斜め方向から送り、これとは別に上方から不活性ガスを送って、反応ガスを基板表面に押し付けるようにすることによって基板表面の広い範囲に結晶薄膜を成長させることができるというのが発明のポイントです。 ...続きを見る

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2005/08/27 19:16
明細書(形式的な話)
 まず形式的な話をしておきます。明細書の形式は法律(特許法)とその施行規則で決められていて、これを無視して勝手な形式で書くことはできません。この形式は時代とともにかなり変化していて、この2628404号は、それが出願された平成2年当時に定められていた形式で書かれています。その辺は気をつけてみる必要があります。 ...続きを見る

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2005/08/23 00:01
特許2628404号
 さて中村裁判で争いの対象になった特許はというと、この裁判に関する新聞や雑誌などの記事をみると、特許第2628404号であることがわかります。この特許の内容を読むにはどうしたらよいでしょうか。ささっとできる方は以下を読んでいただく必要はありません。 ...続きを見る

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2005/08/16 09:58
はじめに
 このごろあまり聞かなくなりましたが、一昔以前には、エレクトロニクスの業界では半導体、とくにトランジスタのことを「イシ」と呼んでいました。「タマ」と呼んでいた真空管がトランジスタに置き換わるときに、ガラス球が固体になるのを表したものと思います。 ...続きを見る

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2005/08/15 12:03

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