半導体デバイス

Semiconductor Devices

専門教育科目

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工学部

3年

HETBK3MCA1

2.00単位

講義 (Lecture)

2026年度前期

(Spring semester)

堀田 育志

工学研究科

日本語

目標4／目標9

講義終了後、教室にて質問を受け付ける。

ユニバーサルパスポートのクラスプロファイルから問い合わせること。

3◎／4◎／5◎

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【講義目的】
本講義では、半導体デバイスの理解に不可欠な、材料物性の基礎から基本デバイス（pn接合ダイオード、トランジスタ、サイリスタ）動作原理までを体系的に解説する。まず、代表的な半導体の結晶構造や、真性・不純物半導体におけるフェルミ準位、有効状態密度、キャリア密度といった半導体の電子物性を決定づける物理的要因について学ぶ。次に、これらの知識に基づくエネルギーバンド図の描画法を習得する。最終的に、pn接合、バイポーラトランジスタ、サイリスタなどの基本デバイスについて、エネルギーバンド図を用いた動作解析と電気的特性の理解を目指す。

【到達目標】
代表的な半導体材料の結晶構造と諸物性について説明できるとともに、真性および不純物半導体におけるフェルミ準位、有効状態密度、キャリア密度を定量的に求めることができる。また、エネルギーバンド図を用いて、pn接合の電流-電圧特性、容量-電圧特性、トンネル・降伏現象などの電気的挙動を論理的に説明できる。さらに、バイポーラトランジスタやサイリスタの基本動作、電流-電圧特性、スイッチング特性について、エネルギーバンド図を用いて説明できる。

【講義内容】
本講義では、まず半導体の結晶構造とエネルギーバンド構造、およびフェルミ準位や電子状態の概念を説明した後、真性・不純物半導体のキャリア濃度を定量的に扱う手法を解説する。次に、ドリフト・拡散によるキャリア輸送や連続の方程式、内部電界といった半導体中の電子の振る舞いについて学ぶ。後半はこれらの基礎知識を活用し、pn接合、バイポーラトランジスタ、サイリスタについて、エネルギーバンド図を用いた動作原理説明を行う。加えて、各デバイスの空間電荷分布、電流-電圧特性、スイッチング特性などを解説する。


【授業計画】
１．イントロダクション（半導体とは、代表的半導体材料、結晶構造、諸特性）
２．エネルギーバンドの概念（絶縁体、半導体、金属）
３．フェルミエネルギーと状態密度
４．真性半導体と不純物半導体のキャリア制御
５．ドリフトと拡散によるキャリア輸送
６．キャリアの発生・消滅およびキャリアの注入と連続の方程式
７．半導体の内部電界
８．前半のまとめおよび中間評価
９．pn接合のエネルギーバンド図
１０．pn接合における空間電荷−電位−ポテンシャルの関係
１１．pn接合ダイオードの特性（電流−電圧特性、トンネル電流、降伏特性）
１２．バイポーラトランジスタの素子構造とエネルギーバンド図
１３．バイポーラトランジスタの基本動作及び電流—電圧特性ス
１４．バイポーラトランジスタのスイッチング特性と降伏電圧
１５．サイリスタの素子構造と動作
定期試験

対面

・対面授業のみ
・遠隔授業単位上限の適用を受けない

利用する場面を限定し許可

この授業においては、以下の範囲において、生成AIの利用を許可し、これ以外の範囲での利用は禁止する。
生成AIの利用については担当教員の指示に従うこと。教員が認める範囲を超えて生成AIを利用したことが判明した場合は、単位を認定しない、又は認定を取り消すことがある。生成AIの出力した内容について、事実関係の確認や出典・ 参考文献を確認・追記することが重要である。また、生成AIによる出力結果をそのまま課題・レポートとして提出してはならない。
生成AIの利用にあたっては『本学の教育における生成AIの取扱いについて（学生向け）』の記載内容について留意すること。

「現代 半導体デバイスの基礎」　岸野正剛著　オーム社

「半導体デバイス」　S. M. Sze著　産業図書

【予習】授業に際して授業計画にあるテキストの部分の事前読み込み（30ｈ）
【復習】講義内容の理解を深め定着させるための講義内容の復習（30ｈ）

採用しない。

中間評価（50点）、定期試験（50点）の合計点により、S（90点以上）、A（80点以上）、B（70点以上）、C（60点以上）による成績評価のうえ、単位を付与する。

中間評価および定期試験は、答案の返却または掲示にて結果を開示する。

該当しない。