固体電子工学とは？
What is “solid-state electronics”?

名古屋大学 大学院工学研究科 電子工学専攻
須田 淳

まずはElectronics (電子工学)

電気工学から分派 真空管の発明(1906年)で幕開け

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Elektronenroehren-auswahl.jpg

Vacuum Tube (真空管)

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diode_vacuum_tube.png

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Triode_vacuum_tube.png

二極管：
アノード（陽極）からカソード（陰極）に向かって一方向にしか電流が流れないà 整流作用三極管：
アノード（陽極）からカソード（陰極）に向かって流れる電流をグリッド電位により制御できるà増幅作用

交流-直流変換(整流)振幅変調波の復調（検波）

信号増幅
論理回路

真空管の動作原理

出典： KORG(電子楽器メーカー)の技術解説ページ 真空管の動作原理https://korgnutube.com/jp/tube/

金属を加熱すると電子が飛び出してくる「熱電子放出現象」が基礎飛び出した電子は電位分布に従って運動する（古典力学）
電子がある場所からある場所に移動する＝電流が流れる電子工学による革新
1915 アメリカ大陸横断電話回線
電話は既に実用化していたが信号減衰のため長距離回線は無理だった。
真空管を使った増幅器で多段中継することで大陸横断の電話回線が実現。
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1931_RCA_Superette_Console_Radio.jpg

1920 アメリカで正式なラジオ放送開始
真空管を使った送信機・受信機（ラジオ）による品質の良い音声放送が実現。各家庭に真空管ラジオが普及。
RCA Superette Console Radio (1931)

1946 電子計算機 ENIAC
リレー(継電器)や歯車、スイッチを使った電気機械式計算機を凌駕する電子計算機の登場。18,000本を超える真空管を用いて作られている。重量30トン、消費電力160kW。1秒間に5000回の加減算。
従来の電気機械式の1000倍の計算速度を実現。
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Classic_shot_of_the_ENIAC.jpg

真空管による電子工学の限界
物理：熱電子放出現象を利用
高温に加熱したフィラメントが必要
à消費電力が大きいà故障しやすい（断線）ガラス管à割れやすい
電極構造à小型化限界あり

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandmaster_Reverb_Tube_Amp.jpg

真空管を使った全国的な電話網、コンピューターの登場
莫大な電力消費本数が多いので常に修理し続けなければならない状態
ENIACでは毎週2～3本の真空管を交換(18000本のどれが故障しているか探すのも大変)真空管から固体電子素子へ
真空à固体(半導体)の電気伝導現象を用いた整流素子・増幅素子
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bardeen_Shockley_Brattain_1948.JPG

整流素子 鉱石検波器
1874 金属硫化物に金属針を接触させると整流作用を示す
1906 単結晶を用いるとより良い整流性
1942 半導体の性質として原理が解明（ショットキー接合）
増幅素子
1947 Ge点接触型トランジスタの発明（発見）Emitter
バーディーン・ブラッテン・ショックレー
1948 Geバイポーラ接合トランジスター
ショックレーhttps://www.computerhistory.org/siliconengine/invention-of-the-point-contact-transistor/

BASECollector

Ge結晶

固体電子工学の劇的進歩

https://www.apple.com/jp/newsroom/2020/
10/apple-announces-iphone-12-and-iphone12-mini-a-new-era-for-iphone-with-5g/

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Classic_shot_of_the_ENIAC.jpg

国家に一台

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ibm_px_xt_color.jpg

企業に一台

一人一台ポケットに入る

https://www.computerhistory.org/revolution/mainframe-computers/7/161/565

1946

1964
8 Tr./card

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
Mullard_el84_vacuum_tube.jpg

真空管

https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_Standard_
Modular_System#/media/File:SMScard.jpg

小型軽量
フィラメント電力不要
暖気不要故障しにくい

トランジスタ19812010

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intel_C8086.jpg

29,000 Tr./chiphttps://vi.wikipedia.org/wiki/Apple_SoC

149,000,000 Tr./chip(iphone4)

ムーアの法則：5年ごとに集積回路上のトランジタは10倍に増える集積回路(LSI)

https://www.amazon.com/SanDisk-Secure-Digital-Card-128/dp/B00009EC5F

2001
128MB

2016
1TB=1,000GB=1,000,000MB

https://www.bhphotovideo.com/c/product/1499695REG/sandisk_sdsdxxy_1t00_ancin_1tb_extreme_pro_uhs_i.html

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:›aw_Transistor_Count_1970-2020.png

半導体集積回路技術の進歩

https://museum.ipsj.or.jp/en/heritage/MCC_board_of_FACOM_VP_Series_E_models.html

スーパーコンピューター
富士通 VP400
500,000,000円(1985年4月発売)

家庭用ゲーム機
プレイステーション・ポータブル
20,790円(2004年12月発売)

コンピュータのけいさんくらべ
プレイステーションがなんだいあつまれば２０年前のスーパーコンピュータにかてるかな？

①

１００００だい

②

１００だい

③

１０だい

④１だい

小学生向け
ナノテク講座でのクイズ

④ １だいわずか88mm2角に118億個のトランジスタ
https://www.macworld.com/article/234595/a14-bionic-faq-performance-features-cpu-gpu-neural-engine.html

40年前のトランジスタラジオには5個のトランジスタ

https://www.sony.com/ja/SonyInfo/Co
rporateInfo/History/sonyhistory-b.html

最新型
iPad AirApple A14 Bionicプロセッサ搭載

https://www.apple.com/jp/shop/buy-ipad/ipadair/64gb%E3%82%B9%E3%82%AB%E3%82%A4%E3%83%96%E3%83%A
B%E3%83%BC-wifi身の回りで半導体が使われているものは？
ラジオ
テレビ

1954 Sony TR-55
出典: ソニー 商品のあゆみ
https://www.sony.com/ja/SonyInfo/CorporateInfo/History/sonyhistory-b.html

電子機器・デジタル家電：
パソコン
携帯電話
家庭用ゲーム機
半導体集積回路(IC,LSI)
一つのチップに膨大な数のトランジスタを集積

https://www.apple.com/jp/shop/buy-iphone/iphone-12-pro

LEDバックライト

イメージセンサ
撮像素子

液晶駆動用
薄膜トランジスタ

高周波増幅器
無線通信Apple A4
プロセッサ
演算処理
フラッシュメモリ
記憶

出典: IFIXIT iphone4 Teardown

https://www.ifixit.com/Teardown/iPhone+4+Teardown/3130

社会を支える半導体
半導体なしでは現代社会は成立しない！
情報・通信分野
シリコン、トランジスタ、集積回路(IC,LSI)
DRAM、フラッシュメモリ、プロセッサ

コンピュータインターネット、光ファイバ通信
携帯電話、衛星放送
半導体の役割はそれだけ？
半導体の役割はそれだけではありません！

関西電力堺太陽光発電所
https://www.nikkei.com/article/DGXNASDD070FR_X00C11A9TJ0000/

太陽光発電
太陽電池は半導体そのもの
シリコン太陽電池

敷地面積 ： 約21ｈａ
太陽電池出力 ： 約1万kW (10MW)
年間発電電力量 ： 約1,100万kwh（一般家庭3，000軒分相当）
太陽電池の種類 ： シャープ株式会社
薄膜シリコン太陽電池
太陽電池の枚数 ： 7.4万枚

太陽熱発電https://natgeo.nikkeibp.co.jp/nng/article/news/14/5697/

太陽光を集光してその熱でお湯を沸かしてその蒸気でタービン発電機を回す。
光à熱à蒸気à力(回転)à電気 4段階
規模が大きいと効率上がる（小規模はあり得ない）

太陽光発電https://www.jaxa.jp/projects/sat/gosat/

https://www.nikkei.com/article/DGXNASDD070FR_X00C11A9TJ0000/

半導体内の光と電子の相互作用を利用して光を直接電気に変えている
https://citizen.jp/shop/collection/g/gBL5495-72E/
小さいものも大きいものも同じ効率
可動部無し、薄型・軽量白熱電球

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Close-up_light_bulb_filament_1.JPG
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Campfire_Pinecone.png

電気à熱à高温à黒体輻射
多量の熱赤外線（見えない光）
暖かいのだけど…

発光ダイオード

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peggy2LE_-_White_LEDs_(2230059807).jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RGB-SMD-LED.jpg

電気à光（単色光）
https://www.bragitoff.com/2014/10/2014-nobel-prize-physics-blue-led/Nobel Foundation

半導体内で電気を光に直接変換照明・ディスプレイ

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Close-up_light_bulb_filament_1.JPG

発光ダイオード
白熱電球
蛍光灯
発光ダイオード

8% 92%
25%

75%

45%

55%
投入電力
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:02_
Spiral_CFL_Bulb_2010-03-08_(black_back).jpg

全電力消費の1/4が照明用途
その利用効率は25%でしかない
LEDは潜在的に100%近い効率を実現できる(最先端の青色LEDの効率70%)
https://kaden.watch.impress.co.jp/cda/news/2009/02/04/3483.html

縁の下の力持ち 半導体パワーエレクトロニクス

出典：JR東海環境サイトホームページよりhttps://eco.jr-central.co.jp/railway/

０系新幹線からＮ７００系新幹線へ

出典: JR東海環境サイトホームページより•車体の軽量化•車体の形状（空気抵抗の低減）•電力変換（パワーエレクトロニクス）
https://en.wikipedia.org/wiki/N700_Series_Shinkansen#/media/File:Shinkansen_N700_z15.jpg

出典: 富士電機ホームページ 製品情報 新幹線電車用電機品
https://www.fujielectric.co.jp/products/electric_railways/pdf/WC31-11.pdf

回生ブレーキ技術

出典: JR東海環境サイトホームページより

電圧計

電流計

速度計

圧力計

半導体
パワーデバイス

出典： MoTA トヨタ新型 新車解説画像ギャラリー
https://autoc-one.jp/toyota/prius/newmodel-298941/photo/

出典： トヨタ企業サイト トヨタ自動車75年史
技術開発 電子https://www.toyota.co.jp/jpn/company/history/75yea
rs/data/automotive_business/products_technology/

この授業のねらい
固体電子素子ダイオード、トランジスタ、集積回路
発光ダイオード、レーザーダイオード
太陽電池、フォトディテクタ、イメージセンサ
パワーデバイス
これらは全て半導体デバイス
どのような原理で動くのか？
性能は何によって決まるのか？
さらなる性能向上はできるのか？
電気、電子、情報、通信
どの分野に進んだとしても、知っておいて損はない！

物質の不思議ぜんぜんちがうのに！
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ruby_gem.JPG

ルビー

アルミニウムさんそクロム(1%)
サファイア

アルミニウムhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sapphire_Gem.jpg

さんそてつ、チタン(1%)
アルミはくアルミニウムhttps://www.toyoalumiekco.jp/products/foil_cup_01/

ダイヤ

たんそ
出典: 島根県ホームページ
しまねの木炭すみたんそhttps://en.wikipedia.org/wiki/Diamond_(gemstone)#/media/File:Brillanten.jpg

「げんし」のならびかた
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diamond_and_graphite.jpg

まったくおなじ「たんそげんし」でできている！

ならびかたがちがうと、ぜんぜんちがうものになる他の授業との関係
１年秋
２年春
２年秋

電磁気学I
電磁気学II
量子力学及び演習

３年春

固体電子工学
固体物理学の基礎、半導体の基礎

３年秋

半導体工学
光半導体材料、光過程、pn接合
LED、レーザ、太陽電池

３年秋

電子デバイス工学
pn接合、ダイオード、BJT、MOSFET、CMOS
高周波デバイス、量子効果デバイス

学習目標
金属、半導体、絶縁体はどのような原理で決まっているのか？
Li, Mg, Al, Fe, Cuは金属。Al2O3は絶縁体。
Cは絶縁体? SiやGeは半導体。Snは絶縁体。
GaAsやGaN, ZnSeは半導体。
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic_table_large.svg

学習目標
半導体の電気的・光学的な性質の理解
金属の電気伝導率は温度に対してわずかな変化
半導体の電気伝導率は温度に対して急激に変化する
n型伝導とp型伝導金属は光を通さない、鏡のような反射特性
半導体の光の透過性、発光特性
半導体の性質を利用した素子(デバイス)の基本的原理

学習目標
半導体の性質を理解するために：
••
•
•
•
•

原子や分子の電子に着目した性質
固体のなりたち（結合様式）
結晶構造
結晶による波（X線）の回折現象
格子振動
量子力学的な固体中の電子の取り扱い• エネルギーバンド構造 (山場)• 半導体中の電子・正孔• 半導体の電気伝導、pn接合• 半導体の光学特性• 半導体に磁電特性

宿題① 真空管（２極管）の整流作用の原理を説明せよ② 半導体のpn接合ダイオード(PNダイオード)の整流作用の原理を説明せよ
本やネットで調べれば答えはある。
高校の物理・化学でどこまで説明できるか？
高校の知識ではどの部分の説明をごまかさないといけないか？
を意識してみましょう。