May 22nd T. Sameshima 1. Enjoy videos 2. Introduction of semiconductor materials and devices 3. Explanation of material search オームの法則を考えよう 昨年の物理学にてオームの法則は粘性抵抗下の電荷の運動 の定常状態と勉強した。そしてオームの法則は i E en i env v E となる。 係数σを物質の電気伝導率と呼ぶ。 になっている。 電流は電磁気学の大定理により、 と定められている。よって となり、キャリヤの速度は電界強度に比例する。 比例係数を移動度という。 オームの法則を考えよう r 1 e m 電気伝導率は多くの物質の電気的性質を決める 物理量であり、抵抗率との逆数関係をもつ。 移動度は半導体研究史上もっとも重要な物理量 である。 運動のライフタイムに比例し、質量に反比例する。 単位は[m2/Vs]と非常に変である。 色々な半導体材料の移動度を見てみよう 移動度(m2/Vs) C e=0.24 h=0.21 Si e=0.15 h=0.05 Ge e=0.39 h=0.19 GaAs e=0.85 h=0.04 ZnS e=0.023 h=0.004 ZnSe e=0.04 h=0.011 GaN e=0.038 6H-SiC e=0.048 In2O3 e=0.016 SnO2 e=0.026 ZnO e=0.018 h=0.005 ec =0.015 e//c =0.0167 固体中の電子の速度 電子の速度は電界強度が速くなると大きくなる。 v E Carrier velocity [m/s] 105 104 103 104 T=300K 105 106 Electric field [V/m] 107 固体中の電子の速度 電子の速度は大変大きい。105 m/sにもなる。 これは電子が電荷1.6×10-19 Cを持ち大きな 電気力を受けるからである。 さらに電子が10-31 kg台と軽いためである。 だから高速電子デバイスができる。 だから軽いデバイスができる。 比較: 第一宇宙速度=7.9×103 m/s ライフルの弾の速度=1×103 m/s 空気中音速=340 m/s 新幹線の速度=83 m/s 色々な物質の電気伝導率を見てみよう 電気伝導率(S/m) 0℃のとき 金 4.88×107 銀 6.80×107 銅 6.45×107 アルミニウム 4.00×107 鉄(純) 1.12×107 ガラス(パイレックス) 1.00×10-12 ゴム(天然) 1.00×10-15~1.00×10-13 半導体 105~10-7 -電気伝導率- 電気伝導率 en は物質によって最も大きく異 なる物理量である。107~10-13 S/m に渡って分布して いる。これは主にキャリヤ密度の値が物質によって大き く異なるからである。 普通は電子は原子核につかまっているから、電気を流 す物質が存在することは不思議である。 -化学結合- 原子は化学結合によって固体・液体物質を作っている。 イオン結合 ionic binding !静電気力による非常に強い結合 --固い、もろい !静電気力は等方的力 --対称性高い構造 !イオンは孤立している --絶縁体 !材料 -アルカリハライド(NaCl) eCl- Na+ Cl- Na+ Na+ Cl- Na+ Cl- Cl- Na+ Cl- Na+ 非常に有名で一般的な結合。でも電気は流さない。 共有結合 ・共有結合は半導体や金属や幾つかの有機物に見 られる。 ・電気が流れる。 ・図のように原子の最外殻電子が互いに重なり合っ て原子が数珠つなぎになると、電子が波のように原 子間を伝わることができる。(量子力学的効果) n-2 n-1 a n n+1 n+2 共有結合エネルギーバンド 電子の波の波数とエネルギー関係 は結晶構造に依存する。等方的な 場合は右図のようになる。 長波長・低波数でエネルギーは小さ く、短波長高波数でエネルギーが高 くなる。E+2A ~E-2A の間が取りう るエネルギーである。エネルギーバ ンドという。 E+2A E-2A a 0 k a 多くの半導体は偶数個の電子が隣同士との結合に寄与する。 従ってバンドが偶数個できてその間にギャップがある E E 伝導帯 エネルギー sp3 sp3 Si 3p 3s sp3 0 a0 距離 禁制帯 価電子帯 R=∞ 多くの半導体は偶数個の電子が隣同士との結合に寄与する。 従ってバンドが偶数個できてその間にギャップがある E 熱エネルギーによって少し伝導帯に電 子が存在する。金属よりはずっと少ない。 よって半導体は一般に高抵抗である。 面白いのは、価電子帯もバンドなので、 電子の抜け穴「ホール」も動く。 よって半導体は二種類の伝導キャリヤを 持つ。 伝導帯 電子 禁制帯 ホール 価電子帯 多くの半導体は偶数個の電子が隣同士との結合に寄与する。 従ってバンドが偶数個できてその間にギャップがある E 実は上手くエネルギーを選んだ光を当て ると電子とホールを作ることができる。 これを光励起という。 デジタルカメラに使われているCCD,M OSセンサー、そして太陽電池(ソーラー セル)はこの原理を用いている。 伝導帯 電子 禁制帯 ホール 価電子帯 多くの半導体は偶数個の電子が隣同士との結合に寄与する。 従ってバンドが偶数個できてその間にギャップがある E 実は上手く他の材料を混ぜると伝導帯に 伝導帯 電子が多い状態を作る事ができる。ドー 電子 ピングという。 シリコンについて電子が多い状態を作る 場合、リンやヒ素を入れる。リン・ヒ素は電 禁制帯 子が一つ多いので、シリコンの伝導帯に 電子を供給する。そして自身は正に帯電 する。電子が多い状態をN型という。 これに対し、ボロンを入れると、 価電子帯 価電子帯にホールが多い状態を作ること ができる。P型という。ボロンは負に帯電。 ―pn接合- p型とn型をくっつけたらどうなるだろうか? P型ドーピング 多数ホール N型ドーピング 多数エレクトロン P N Nc EF Nv Nc EF Nv P N ―pn接合- 1)p型にはホールが沢山ある。n型にはホール は殆どない。 P N 2)n型には電子が沢山ある。p型には電子 は殆どない。 3)p型とn型をくっつけると、ホールと電子はエントロピーが大きくなる ように、それぞれ数の少ない方に拡散して、同じ密度になろうとするだ ろう。 4)ところが、p型、n型にはそれぞれイオン化不純物が存在する。 だから、p型、n型はそれぞれ孤立状態で、ホール-電子-不純物イオン 間の電荷中性条件が成り立っている。 5)従って、p型からホールがn型に流れ出ようとすれば、p型側はマイ ナスに帯電する。 6)これに対し、n型から電子がp型に流れ出ようとすれば、n型側はプ ラスに帯電する。 ―pn接合- 7)よってn型からp型へ向かって電気的力が生じてホール及び電子 の無制限の拡散を防ごうとする。 8)この拡散と電気的力の綱引きは、 P N 電気的エネルギーを最小にする条件 で決着する。 9)電気的エネルギーは、電界強度の2乗に誘電率を掛けた量を空 間積分して与えられる。 1 U EEdV 2 10)一般的に空間全体に電界強度が生じるとエネルギーは大きくな る。なるべく電界強度は局所的に存在する方がエネルギーが小さく なる。 11)不純物イオンは動く事ができないが、ホールとエレクトロンの分 布は変化できる。8)〜10)に従ってホールとエレクトロンの分布が決 る。 ―pn接合- 12)結果、電荷の中性状態が破れて、電界強度が発生する領域は、 p型とn型の接合部分に限られる。 13)もちろん、電界強度は電磁気学の法則に従って決まる。 (r) div E(r) = P N ここでρは位置rにおける電荷密度である。 即ち電荷中性が破れてできた正味の電荷密度である。 14)接合面のp型側はマイナス帯電だから、 ρは負である。これに 対し、n型側はプラス帯電だから、 ρは正である。 pn接合はあらゆる半導体素子の基本構造である。 ―pn接合- 1x1024 m-3 doping 1x1024 m-3 doping ポテンシャルエネルギー(eV) P N 物理的接合面 2.5 電気的接合面 2 1.5 C 1 0.5 0 -100 -50 0 V 50 距離(nm) ポテンシャルバリヤー 0.944eV フェルミエネルギーレベル 100 ―pn接合- ポテンシャルエネルギー(eV) PN接合部に光励起によっ て電子とホールができたと する。 電子とホールはお互いのエ 2.5 ネルギーの小さい方向きに 2 移動する。即ちお互いに反 対向きに移動する。よって 1.5 電流が流れる。 P N 電子 C 1 これがソーラーセルである。 0.5 0 -100 ホール -50 0 V 50 距離(nm) 100 Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor -MOSFETG ゲート絶縁膜 D P N S N ポテンシャルエネルギー(eV) 現在のトランジスタの基本 構成要素である、MOSキャ パシタとMOSFETを勉強しよ う。 !右図はn-MOSFETの断面 構造である。 !FETはダブルpn接合型で あり、2つのポテンシャルバ リヤーがある。 !チャネルの上にはゲート 絶縁膜を介してゲート電極 がある。 !ゲート電界でポテンシャ ルバリヤーを変化させ、ソー ス・ドレイン間の電流を制御 する。 2.5 L 2.0 C 1.5 EF 1.0 0.5 V 0 距離 -MOSFET- !大きなプラスゲート電圧をか けると →チャネルはn型に変化し、 電子密度が大きくなり、 →電子伝導率が大きくなる G S N ポテンシャルエネルギー(eV) !プラス電圧をゲートにかける と、 →電子に引力が働き電子ポテ ンシャルが低下する。 →ポテンシャルバリヤー が小さくなる。 2.5 2.0 1.5 Vg +high D P N チャネル C EF 1.0 V 0.5 0 距離 ―MOSキャパシタ- !右図のようにチャネル部分だけ を抜き出した素子構造を考えよう。 !MOSキャパシタという。 !ゲート電極、ゲート絶縁膜、 半導体基板(シリコン)、 P 下部電極からできている。 ゲート電圧印加によって シリコン表面に電荷Qが発生する。 Q C VG Vth G VG ゲート絶縁膜 0V ―MOSFET- ゲート電圧を印加したときのMOSFET Gate の構造を右図に示そう。ゲート電圧 Vg oxide によりチャネル表面に反転層が Vds 形成される。そしてドレインにも z 電圧がかかっているとソース L n+source n+drain ドレイン間に電流が流れる。 考察しよう。 Depletion region x Inversion 一般に長さL,幅W厚さDの抵 channel p-type substrate 抗体に電圧Vをかけたとき流れ W る電流Iは以下の式で与えられ 0V る。 I WDen E オームの法則 y ―MOSFET- ソースとドレイン電圧Vdsがゼロであり、ゲート電圧Vgsが大きいとき チャネルに蓄積するキャリヤ電荷量は Q ~ Cox Vgs 2 B Cox Vgs Vth である。ドレイン電圧Vdsが少し印加されたとき、ソースを原点にと り、距離yだけドレイン側にある半導体表面でのキャリヤ電荷量は Vg 以下のように書き換えられる。 Q ~ Cox Vgs V y Vth Vs Vd y L 0 ソース側に流れ込む、ドレイン電流Isdはマイナスとなって、 dV y I sd Wen E W Q I ds dy となる。 ―MOSFET- さらに、 dV y I sd W Cox Vgs V y Vth dy となる。Y方向にIsdは一定だから、上記微分方程式は簡単に解く 事が出来る。 W 1 I sd Cox Vgs Vth Vds Vds L 2 W 1 I ds Cox Vgs Vth Vds Vds L 2 ドレイン電流Idsはゲート電圧Vdsに対して線形に変化する。 これが有名なMOSFETのドレイン電流の線形の式である。 ―MOSFET- チャネル領域のキャリヤ密度はゲート電圧に対して線形に変化 する。 Q Cox Vgs Vth 凄い効果がある。上式はゲート電圧を固定したら電荷量は固定 されることを示している。例えば温度を変えても電荷量は変化し ない。一般に半導体は温度を変えるとキャリヤ密度が劇的に指 数関数的に変化する。しかしMOSFETのチャネル層のキャリヤ密 度はゲート電圧を決めれば温度を変えても大きくは変化しない。 よってドレイン電流は温度の変化に鈍感である。この効果はゲー ト接地(ベース接地)として電子回路に利用されている。 ―MOSFET- 高いドレイン電圧を印加し,Vds > VgsVthになる場合を考えよう。 先に登場した、チャネル表面電位 Vgs V y Vth のなかの V(y)は0からVds まで変化する量だから、 チャネル内にはV (yp) = VgsVth になるポイントが必ず存在す る。V (yp)をピンチオフ電圧(pinch-off voltage)という。 Lが小さくないとき(例えば100μm)、V(yp)はドレイン端の極近く に出現する。 よってyp~Lである。ypからL の間では Vgs V y Vth が負になる。この事は,ドレイン端近傍のチャネルにはキャリア が殆ど存在しないことを意味している。このような状態を,ピン チオフ領域(pinch-off region)という。 ―MOSFET- ピンチオフ領域においても,yp≦Lにおいては線形領域の条件 が成り立つ。Idsは線形の式で表わされるが、 ここでより良くピンチオフ領域の性質を調べるために以下のよう に書き換えよう。 1 W I ds Cox Vgs Vth Vds Vds 2 L 1 W Cox Vgs Vth V y p V y p 2 yp 2 W Cox Vgs Vth Vgs Vth V y p 2 yp 2 W Cox Vgs Vth ~ 2L これを飽和特性という。 2 ―MOSFET- アウトプット特性(Ids-Vds)を調べよう。 線形特性の式 飽和特性の式 W I ds Cox Vgs Vth 2L 2 Drain current W 1 I ds Cox Vgs Vth Vds Vds L 2 線形領域 Vg4 飽和領域 Vg3 Vg2 Vg1 Drain voltage ―MOSFET- log(Ids) (arbitrary scale) 1 0.8 10-2 0.6 10-4 0.4 10-6 10-8 10-10 0 0.2 Von Vt 0.5 1 1.5 2 Gate voltage Vg (V) 2.5 30 Linear Ids (arbitrary scale) トランスファー特性(Ids-Vgs)を調べよう(線形領域,Vds<<1)。 線形特性の式 W 1 I ds Cox Vgs Vth Vds Vds L 2 ―トランジスタの作成- Si3N4 SiO 2 p形Siウェーハ(100) B p形Siウェーハ(100) B p+p形Siウェーハ(100) p+ (a) Si3N4/SiO2CVD膜の形成 (b) Bイオン打ち込み (c) フィールド酸化としきい値制御用 イオン注入 ―トランジスタの作成- ポリSiゲート p+ p形Siウェーハ(100) p+ (d) 多結晶Siゲートの形成 PSGリフロー n+ n+ p+ p形Siウェーハ(100) p+ (e) イオン注入によるソースド レーン形成とPSGリフロー ソース ゲート ドレーン n+ n+ p+ p形Siウェーハ(100) p+ (f) コンタクト孔の開口とAl配線 ―トランジスタの作成- ・現在最小サイズ22nm。 ・100GHz動作トランジスタ素子が できている。 ・良い品質の材料を開発することが大切。 ・適切な構造の素子を開発すること が大切。 ・トランジスタ素子は全ての電気機器 の動作用電子回路に応用されている。 授 業 内 容 回月日 1回4/10 内 容 イントロダクション 講師 鮫島・飯村 及び周期律表の元素の解説 2回4/17 周期律表の元素の解説 鮫島 3回4/24 絶縁体についての解説 飯村 4回5/1 金属体についての解説 飯村 5回5/8 半導体についての解説 鮫島 6回5/15 有機物体についての解説 飯村 7回5/22 半導体についての解説 鮫島 授 業 内 容 8回5/29 9回6/5 学生の材料調査 有機物体についての解説 10回6/12 学生の材料調査 11回6/19 磁性体についての解説 12回6/26 学生の材料調査 飯村(鮫島)&TA 飯村 鮫島(飯村)&TA 清水大 飯村(鮫島)&TA 13回7/3 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島&TA 14回7/10 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島&TA 15回7/17 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島&TA 学生の材料調査 ・4-5人1Gpで調査 ・期間:5月29日~6月30日 ・指定のデバイスに利用されている材料を調べる。 ・単体元素、化合物等 ・用途、作用、発見・開発の歴史など調べる。 ・TAがアドバイスする。 ・調査結果をPPTにまとめる。TAと鮫島教員に提出。 ・7月3日より発表会 T A 木村駿介 [email protected] 中村 友彦 [email protected] 古川 潤 [email protected] 小倉 大輝 [email protected] 田中 祐治 [email protected] 新井田 淳平 [email protected] 藤川 雄太 [email protected] 浅沼広大 [email protected] 田邊聖哲 [email protected] 村松利洋 [email protected] 26年度学生調査材料テーマリスト テーマ アンプ マウス 通信ケーブル 印刷機 3Dプリンター 太陽電池 エネファーム ハードディスク IHヒーター SUICA レーザーポインタ 加湿器 プロジェクター エレベーター モバイルバッテリー 送電塔 蛍光灯 発電所(火力) 発電所(原子力) 電子ピアノ 担当TA 木村駿介 木村駿介 中村友彦 中村友彦 古川 潤 古川 潤 小倉大輝 小倉大輝 田中 祐治 田中 祐治 新井田 淳平 新井田 淳平 藤川 雄太 藤川 雄太 浅沼広大 浅沼広大 田邊聖哲 田邊聖哲 村松利洋 村松利洋 学生の材料調査E1 学籍番号 12257027 12257051 11257096 12257023 13257001 13257003 13257005 13257007 13257009 13257011 13257013 13257015 13257017 13257019 13257021 13257023 13257025 13257027 13257029 13257031 氏名 木谷 美夏 髙橋 諒 金 東暎 忍成 晃輔 相澤 圭樹 赤塚 駿 荒 雄也 石井 恒太郎 板木 亮洋 今村 俊貴 岩森 寛人 牛水 英貴 小川 鉄矢 小野 有矢 金森 巧 上島 元都 神田 浩輔 ・池 一成 木下 みとい 木本 圭優 調査テーマ アンプ アンプ アンプ アンプ アンプ マウス マウス マウス マウス マウス 通信ケーブル 通信ケーブル 通信ケーブル 通信ケーブル 通信ケーブル 印刷機 印刷機 印刷機 印刷機 印刷機 担当TA 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 木村駿介 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 中村 友彦 学生の材料調査E1 学籍番号 13257033 13257035 13257037 13257039 13257041 13257043 13257047 13257049 13257051 13257053 13257055 13257057 13257059 13257061 13257062 13257065 13257067 13257069 13257071 13257073 高下 小林 近藤 坂本 佐藤 清水 田頭 竹谷 田中 田村 津川 坪沼 永田 西澤 西田 野崎 橋本 東畑 樋元 藤森 氏名 友輔 礼奈 柾樹 匠 遼 悠平 駿 浩伸 渉 昇也 聡 尭之 裕真 大輔 和真 翔太 絢美 宗典 健志郎 啓太 調査テーマ 3Dプリンター 3Dプリンター 3Dプリンター 3Dプリンター 3Dプリンター 太陽電池 太陽電池 太陽電池 太陽電池 太陽電池 エネファーム エネファーム エネファーム エネファーム エネファーム ハードディスク ハードディスク ハードディスク ハードディスク ハードディスク 担当TA 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 古川 潤 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 小倉 大輝 学生の材料調査E1 学籍番号 13257075 13257077 13257079 13257081 13257083 13257085 13257087 13257089 13257091 氏名 古木 大裕 星野 智哉 丸山 大史 御子柴 亮平 宮﨑 未知果 森岡 俊行 山北 晃央 山下 翼 和知 祥太郎 調査テーマ IHヒーター IHヒーター IHヒーター IHヒーター IHヒーター Suica Suica Suica Suica 田中 田中 田中 田中 田中 田中 田中 田中 田中 担当TA 祐治 祐治 祐治 祐治 祐治 祐治 祐治 祐治 祐治 学生の材料調査E2 学籍番号 14257522 09257018 11257030 12257024 12257042 12257074 12257078 13257002 13257004 13257006 13257008 13257010 13257012 13257014 13257016 13257018 13257020 13257022 13257024 13257026 氏名 向田 隆浩 小川 建人 姜 寛隆 小野 雄大 下村 明栄 益子 裕輔 溝井 猟矢 青柳 耀介 浅野 慎基 新井 圭祐 石野 修平 五日市 拓真 岩田 侑馬 上田 紘平 梅森 睦未 尾崎 裕太 柏崎 翔 蟹江 卓矢 川野 祥平 菅野 光成 調査テーマ レーザーポインタ レーザーポインタ レーザーポインタ レーザーポインタ レーザーポインタ 加湿器 加湿器 加湿器 加湿器 加湿器 プロジェクター プロジェクター プロジェクター プロジェクター プロジェクター エレベーター エレベーター エレベーター エレベーター エレベーター 担当TA 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 新井田 淳平 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 藤川 雄太 学生の材料調査E2 学籍番号 13257028 13257030 13257032 13257034 13257036 13257038 13257040 13257042 13257044 13257046 13257048 13257050 13257052 13257054 13257056 13257058 13257060 13257064 13257066 13257068 氏名 北出 哲大 君塚 涼 久保 貴寛 合志 祐美子 小堀 天 酒井 正太郎 佐々木 将人 清水 一輝 白米山 晶平 瀬尾 健 高橋 浩平 多田 優威 谷 創貴 丹治 祐太郎 辻川 政樹 永井 大隆 仲山 広記 荷村 毅 野々村 信哉 原 直也 調査テーマ モバイルバッテリー モバイルバッテリー モバイルバッテリー モバイルバッテリー モバイルバッテリー 送電塔 送電塔 送電塔 送電塔 送電塔 蛍光灯 蛍光灯 蛍光灯 蛍光灯 蛍光灯 発電所(火力) 発電所(火力) 発電所(火力) 発電所(火力) 発電所(火力) 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 浅沼 田邊 田邊 田邊 田邊 田邊 田邊 田邊 田邊 田邊 田邊 担当TA 広大 広大 広大 広大 広大 広大 広大 広大 広大 広大 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 聖哲 学生の材料調査E2 学籍番号 13257070 13257072 13257074 13257076 13257078 13257080 13257082 13257084 13257086 13257088 13257090 菱山 藤本 藤原 古谷 松本 三木 宮川 村井 森谷 山口 渡邉 氏名 春尊 直大 遥香 飛鳥 章寛 司 和也 宏光 敏博 徳史 健太 調査テーマ 発電所(原子力) 発電所(原子力) 発電所(原子力) 発電所(原子力) 発電所(原子力) 電子ピアノ 電子ピアノ 電子ピアノ 電子ピアノ 電子ピアノ 電子ピアノ 村松 村松 村松 村松 村松 村松 村松 村松 村松 村松 村松 担当TA 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋 利洋
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