研伸館 物理科の米田 誠です．強者の戦略 HP の物理
B

年度 京都大学 後期日程 論文 電気電子工学科』からのB

出題，「半導体メモリー」に関する問題の解答解説 +a

R1としたいと思います．

A【解答解説】+C0E

本問題を読み解くためには，コンデンサを放電する

VA = 0V

充電必要があります（この時，接地（アース）することで極板上の電荷を 0 にする操作についての知識が必要）。

開放+C0E

R2-C0E保持

次に，基本素子に 0 を記憶させる（コンデンサーの電荷を 0 とする）ためには，コンデンサーの上下極板＜コンデンサー放電時＞を接地すればよいので，

13A

R2-C0E

状況と充電する状況を，下図のように簡潔に整理する

R1

短絡

VA = 3V＜コンデンサー充電時＞

23のページ，第 40 回目は第 39 回目で紹介した『２００２『解答：まず，VA = 3V として S-D 間を短絡し，端子 B

B

Bを端子 1 に接続してコンデンサーの電荷を 0 にし，その後 VA = 0V として，端子 B は端子 2 に接続して S-D間を開放する』

R1R1AA

VA = 3V

VA = 3V+ C 0E
R2- C0E

100

R2A
VA = 3V0

また，本問題ではトランジスタ（恐らく MOSFET：放電

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の02
B

B

R1

R1

短絡A
VA = 0V

開放0R2
保持0

R2

「スイッチ効果」を利用したスイッチング回路を扱います（トランジスタについては【参考】で簡単な紹介

設問 2をします）。スイッチ効果とは，トランジスタにつなが記憶動作を高速に繰り返すことが要求される場合，れている端子 A にかかる電圧が 3V のときに回路が短『解答：R1 の抵抗値はできる限り小さい値が望ましい。』

絡（スイッチオン）し，0V のときに回路が開放（スイッ『理由：高速でコンデンサーへの充電および放電を行うチオフ）することを示します。

ためには R1 の抵抗値を小さくして大きな電流が流れるようにすることが望ましいため。』

設問 1

記憶情報を長時間維持することが要求される場合，まず，基本素子に 1 を記憶させる（コンデンサーの『解答：R2 の抵抗値はできる限り大きい値が望ましい。』

電荷を C0E とする）ためには，コンデンサーと電池を『理由：できるだけ R2 の抵抗値を大きくしてコンデン短絡させればよいので，サーの上下極板間の電荷の移動を妨ぐため。』『解答：まず VA = 3V として S-D 間を短絡し，端子 B（ちなみに，いくら R2 の抵抗値を大きくしてもコンデを端子 3 に接続してコンデンサーを C0E に充電し，そンサーの上下極板間で電荷は移動（放電）する揮発性の後 VA = 0V として S-D 間を開放する』

メモリであるため，基本的には一時的な記憶に用いる）

1設問 3

まず，端子 A1，A2 を VA = 3V とし短絡させた後，端〔回路 1 の場合〕

子 B1，B2 を端子 1 に接続して，全てのコンデンサーのA2A1A3

電荷を 0 にする（（0，0，0，0）が記憶される）。

A4

次に端子 A2 を VA = 0V とし開放してから端子 B2 をB

端子 2 に接続して C2 と C4 に記憶させた 0 を維持しておく。続いて，端子 B1 を端子 3 に接続すると C1 の電荷が C0E となり 1 が記憶され，その後，端子 A1 を VA
C1C2C3= 0V とし開放してから，端子 B1 を端子 2 に接続すると，

C4C1 の 1 と C2 の 0 の記憶が維持される（結果，（1，0，0，0）が記憶される）。

まず，端子 A1 〜 A4 全ての電圧を VA = 3V とし，短この後で (1，1，0，0) とするためには，まず端子 A2絡させる。その後，端子 B を端子 1 に接続して，全てを VA = 3V としてから端子 B1 を端子 3 に接続して，そのコンデンサーの電荷を 0 にしておく。の後，端子 A2 を VA = 0V にしてから，端子 B1 を端子

次に，0 を記憶させたい任意の端子の電圧を VA = 0V2 に接続すればよい。

として，記憶させた 0 を保持する。このとき，他の端また，（1，0，0，0）から（1，0，1，0）とするには子の電圧は VA = 3V のままにしておく。

端子 A1 を VA = 3V としてから，端子 B2 を端子 3 に接最後に端子 B を端子 3 に接続してコンデンサーに充続して，その後，端子 B2 を端子 2 に接続すればよい。

電して 1 を記憶させ，その後，端子 A1 〜 A4 全ての電以下，同様に考えれば全ての状況（16 ケース）が表

圧を VA = 0 として，記憶させた 1 を保持する。

現できる。

この記憶を維持するために端子 B を端子 2 に接続しておく。

設問 4
例えば，１億（108）個の基本素子によるメモリーを〔回路 2 の場合〕

考 え る と， 回 路 1 で は 端 子 B が 1 個， 端 子 A が 108（回路 1 とは異なり，それぞれの記憶のさせ方によって個 必 要 に な る。 一 方， 回 路 2 で は 端 子 A，B と も に手順が異なるため，例を挙げて説明する。）
A1

10 8 = 10 4 個必要になる。以上から端子の総数を少なA2くするためには，回路 2 のほうが適している。

B1

【参考】

本問題で扱った『トランジスタ』は，基本的に高校物理で触れることが無いため，戸惑った人も多かった
C1かと思います。以下にトランジスタの役割と仕組みをC2

簡単に紹介しますので参考にしてください。
（１）トランジスタの役割

B2

トランジスタにはざっくりと以下の 2 通りの使用用途があります。

C3

C4

①

アナログ回路における信号（電流）増幅装置②

デジタル回路におけるスイッチ

電気工作を趣味にしている人には①としてのトランジスタのほうが馴染みがある（トランジスタラジオなど

例えば，C1，C2，C3，C4 のメモリーを（0，0，0，0）で用いられる）のではないでしょうか。この①の役としてから（1，0，0，0）とする場合を考える。

2

割は古くは真空管が担っていましたが，1940 年代のこのトランジスタは Source と Drain に自由電子を終わりから 1950 年代の半ばにかけてトランジスタに多く含む n 型半導体を配置し，Gate の真下には p 型取って代わられるようになっていきました。①の仕組半導体を配置します。このように Source と Drain はみは簡単に言うと，例えば『トランジスタに電流がp 型半導体によって電気的に絶縁されており，端子 A1A 流れる（入力される）と 1kA を回路に流す（出力に電圧をかけなければ，電流が流れることはありませする）』という様に，微弱な電流（信号）を大きな電ん。

流（信号）に増幅し，微弱な電波によって伝搬された・スイッチオンの状態信号を見逃すこと無く感知することができるようにな

端子 A へります（例：電波レーダーなど）。これがトランジス(+3V を印加 )タの当初の役割でした。しかしながら時間の経過とと

端子 B へもに，トランジスタのスイッチの機能にも着目されるようになり，現在ではこのスイッチ機能がデジタル機

Gate器に欠かせないものとなっています。このスイッチ機

Source能については次の項で解説します。
（２）トランジスタのスイッチ効果

p-Type Si（p 型半導体）

左図に示す，本問題の回路を＜コンデンサー充電時＞

を例にして，n 型 MOSFET（ト3

図２ランジスタ）のスイッチ効果にB

R1A
VA = 3V+ C 0E
R2- C0E

Drain

スイッチオンに相当ついて簡単に説明します。ただ

図 2 のように，端子 A に電圧をかける（正電位をし，高校物理で学習する程度の与える）と Gate 直下に生じる電界によって電子が集半導体の知識が無いとよくわかまります（受験生の皆さんには『Gate と p 型半導体らないと思いますので，半導体とその両者に挟まれたシリコン酸化膜（図 2 黒塗りについて大まかでいいので学習部）の 3 者で構成されるコンデンサーが出来，電子がしておいてください。

Gate 直下に集まる』と言ったほうが分かりやすいでしょうか）。このため，Source，Gate 直下，Drain がトランジスタの結線例を図 1 に示します。図 1 の短絡されたのと同じ状態になり，スイッチオンの状態

太線内が n 型 MOSFET 本体です。Gate 部と端子 A，になり，電流を流すことができます。

Drain 部と端子 B，Source 部とコンデンサー回路をつなぎます。

【おわりに】
今回紹介したトランジスタなど，身の回りには数え端子 A へきれないほどの電子機器があふれ，私たちはそれらによる快適な生活を享受していますが，これら電子機器が急速に発展したのはこの数十年のことです。十年一

端子 B へ昔（じゅうねんひとむかし）とはよく言ったもので，
Gate
自由電子

Source新しい技術がどんどん世の中に出てきてここ 10 年で私たちの生活もかなり様変わりしました。筆者が高校生

Drainの頃はインターネットどころか携帯電話ですら一般的なものではありませんでした。

n-Type Si（n 型半導体）

受講生の方に「次は何が発展しそうですか」と，た

p-Type Si（p 型半導体）

まに聞かれますが正直わかりません。強者の皆さんが図1

その「発展」をつくってくれるのを楽しみにします。

n 型 MOSFET の結線例

3