テーマ:技術

ウェブサイト更新のお知らせ

ウェブサイト「小さな石たちの物語」に記事を追加しましたので、お知らせします。 追加したのは[電子デバイス]の「バイポーラトランジスタ」です。 当初予定を変更して、「集積回路」の章を設けることにし、バイポーラトランジスタの集積回路に関する部分はこちらに記載することにします。次はこれを掲載する予定です。
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ウェブサイト更新のお知らせ

 ウェブサイト「小さな石たちの物語」に記事を追加しましたので、お知らせします。 追加したのは「絶縁ゲート電界効果トランジスタ」です。 ペースが遅いですが、続いて「バイポーラトランジスタ」を公開する予定です。
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屈折率と吸収係数の関係(クラマース-クロニヒの関係)(その2)

 前回のホプキンソンの重ね合わせに用いた階段状の変化が時間間隔、電圧間隔がともに細かくなっていった極限を考えます。これは前回の図B(a)に破線で示したような滑らかな曲線状の変化になると考えられます。そのような場合の式は積分を使って次のように書き直せると考えられます。    ここで、t-u=τと置くと     全電流は   …
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屈折率と吸収係数の関係(クラマース-クロニヒの関係)(その1)

 ここまで光変調器の話を中断して屈折率について説明してきましたが、これは今回取り上げる屈折率と吸収係数の関係について明らかにするためでした。  前回、説明したように、複素屈折率の実部が屈折率に相当し、虚部は消衰係数と呼ばれ、吸収係数に相当しています。実はこの実部と虚部、すなわち屈折率と消衰係数は独立に決まるものではなく、一定に関係…
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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。  この屈折率変化を利用した光変調には原理の異なる多くの種類が提案されてき…
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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。  この効果は1958年にドイツの物理学者フランツ(W.Franz)とロシア(当時はソビエト連邦)の物理学者ケルディッシュ(L.V.Keldysh)が互いに独立に見い出しました。量子閉じ込めシュタ…
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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。  量子井戸の光吸収は同じ半導体の厚い層やバルク…
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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。  光の強度を変調する素子は入力電気信号にしたがって変動する光信号を出力する素子です。もっとも単純には電気信号によって入力される定常光を遮断できればよいので、原理的には機械的なシャッタをオンオフするのと同じです。しか…
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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。 1.光変調素子はなぜ必要か  光信号による通信は日常生活のなかにも広く使われています。テレビやエアコンはリモート・コントロール(略してリモ…
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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。  通常の抵抗素子は印加する電圧を増加させるとそれに比例して流れる電流が増加します。これに対して負性抵抗素子では印加される電圧が増加すると電流が減少する特性をもちます。  ここで注意しなければならないのは負性抵抗素子はその電流I-電…
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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。  この素子を最初に誰が提案したのかはどうもはっきりしません。特許を探ってみると、米国のゼネラル・エレクトリック社が1953年に出願した特公昭30-2734号辺りが最初のようです。発明者はJ.M…
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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。  例えばGaAs結晶のエネルギーバンド構造…
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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。  今回はインパットダイオードです。インパット(IMPATT)は略号で、IMPact avalanche Transit T…
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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。 ところが通常のサイリスタはSCR(制御整流器)と呼ばれるように、一方向にし…
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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。  pnpn構造をもつサイリスタはゲート電圧を制御することにより、オフ状態からオン状態に切り換えることができます。ところが一旦オンになった素子をゲート電圧を変えてオフに戻すことは通常、で…
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pnpn構造素子の解析(その2)

 前回、サイリスタは2つのトランジスタの組み合わせで表せ、この2つのトランジスタの電流増幅率の和が1になるところでサイリスタが負性抵抗領域にスイッチングすると説明しました。これを表すアノード電流IAの式を再掲します。   ここでα1、α2はそれぞれアノード側およびカソード側トランジスタの電流増幅率、IGはゲート電流です。  通…
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pnpn構造素子の解析(その1)

 pnpn構造素子を理論的な面から少し見ておきたいと思います。pnpn構造はpnpトランジスタとnpnトランジスタを図Aのように接続した素子と見なすことができます。ショックレーはむしろこのようなトランジスタの接続からpnpn構造を発想したように思われます(特公昭29-005752参照)。  図Bは回路記号を使って表した図です。サイ…
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サイリスタ

 前回、pnpnダイオードの動作について紹介しましたが、pnpn接合は4層構造ですから電極は両端だけでなく、中間のp層やn層に設けることもできます。今回はこの中間のp層またはn層のいずれかに電極を設けた3端子素子を取り上げます。  実はこの3端子素子は意外に重要な役割を持っており、現在もよく使われています。その辺りについて順に紹介…
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pnpnダイオード

 前回、ショックレイの特許の紹介を通してpnpn接合の特性を大雑把に説明しましたが、今回はもう少し詳しい説明を加えることにします。  前回と重複しますが、図Aのようなpnpn接合の外側のp1層とn1層に電極1と2を設けたpnpnダイオードを考えます。このダイオードに図のような回路をつないで電圧Vを変えたときの電流I-電圧V特性は前…
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pnpn接合素子

 負性抵抗素子のもう一つの代表的な例としてpnpn接合を用いた素子を取り上げます。pnpまたはnpn接合を用いたバイポーラトランジスタよりさらに一つ接合が多いこの素子には種々の構造が知られていて、先のトンネルダイオードより実使用という面ではずっと多用されています。  歴史的にみるとだれが最初に提案したかははっきりしませんが、トラン…
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トンネルダイオードの応用(その2)

 トンネルダイオードの応用の話をもう少し続けます。トンネルダイオードというよりもう少し広い意味の負性抵抗素子の応用です。 1. 増幅回路  図Aのような回路で信号源から入力した信号viを負荷抵抗RLの両端から信号voとして取り出すことを考えます。負荷抵抗RLに直列に負性抵抗-Rが接続されています。抵抗rsは電源の内部抵抗や配線の…
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トンネルダイオードの応用(発振回路)

 最初に紹介した江崎特許(特公昭35-6326)にもトンネルダイオードの応用として図Aのような発振回路が記載されています。今回はこの発振回路について調べてみます。  発振回路とは直流電源から交流電流を発生させる回路です。もちろんトンネルダイオードに固有のものではなく、いろいろな原理の回路が知られていますが、ここでは特許の回路に沿っ…
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トンネル電流

 トンネルダイオードのpn接合に流れる電流の理論を考えてきましたが、今回ようやく最終的な電流の式を導きます。  トンネル電流は基本的に電位障壁に流入する電子の流れと電子が障壁を透過(トンネル)する確率の積で表されます。流入電流はすでに考察した固体中を流れる電流ですが、以前に検討したような衝突項は敢えて考えません。なぜなら障壁が電子…
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トンネル確率(その2、モデル計算)

 以前に求めたトンネル確率はポテンシャルが各部で一定な場合でした。ポテンシャルが位置に対して変化する場合も考え方は同じですが、境界条件が定めにくい場合などはやや近似的に考える必要があります。  まず図Aのような任意のx方向に変化するポテンシャル障壁を考えます。電子のエネルギーεはxがaからbの間で障壁のポテンシャルV(x)より小さ…
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トンネル確率(その1、WKB法)

 トンネルダイオ^ドを流れる電流は基本的には接合に流れ込む電流とトンネル確率の積で表されます。前回まで電子の流れについての理論は、この接合に流れ込む電流を解析することを目的としたものでした。そこでつぎにトンネル確率を求める必要があります。  このトンネル確率についてはもっとも簡単な場合、すなわち高さが一定のポテンシャル障壁がある場…
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電流の表式

 今回はボルツマン方程式から電流の式を導出します。まず前回のボルツマン方程式を再掲します。   (1)  電流は定常電流を考えます。定常状態では    ですから、     (2) という関係が成り立ちます。  ここで衝突項として古典論で採用した緩和時間τを用いた形が分布関数fの変化に対しても成り立つを仮定して  …
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固体中の電子に関するボルツマン方程式

 前々回、前回の記事には記号などに不備がありましたので、少し修正しました。今回はその続きで、前回の準備をもとにボルツマン方程式を導きます。前回説明したように波数kとΔkの範囲にある電子の数Nは熱平衡状態において   (1) となります。ただしf0は前々回の(6)式の熱平衡状態のフェルミ分布です。 このf0が電界Eにより変化した…
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k空間

 前回登場したボルツマン方程式を使って固体中の電気伝導を解析するためには少し準備が必要です。少し回り道になりますが、今回はそれをやります。  前回のフェルミ分布の図は横軸が波数kでした。このkがどこからきたのかを考えます。  以前に量子力学の自由電子モデルについて紹介をしています。ここでは一部繰り返しになりますが、必要な点を…
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固体中の電子伝導

 長く更新が滞りましたが、再開します。  前回のトンネルダイオードを流れる電流の理論を紹介するつもりでいましたが、そのベースになる固体(とくに半導体)中の電子の伝導現象についてきちんと取り上げていないことに気付きました。そこで少し回り道になりますが、この機会に調べてみることにしました。  以前の記事で電子の運動が古典力学(ニ…
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トンネルダイオード

 今回はトンネルダイオードを取り上げます。このトンネルダイオードは前回紹介したトンネル効果を応用したデバイスですが、一つのpn接合からなる単純なダイオード素子です。エサキダイオードとも呼ばれ、言うまでもなく江崎玲於奈博士によって初めて開発され、後年ノーベル物理学賞(1973年)の対象となったことはよく知られる通りです。  この発明…
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