【電子デバイス・集積回路講座 第1回】半導体デバイスのための基礎物理｜エネルギーバンドから真性キャリア濃度の計算まで

半導体デバイスを理解するために必要となる基礎物理について、量子力学の詳細には踏み込まず、エネルギーバンドから真性キャリア濃度の計算まで順を追って解説します。 導体・半導体・絶縁体の違いをエネルギーバンドの観点から確認した後、フェルミ・ディラック分布、状態密度について説明します。さらに、電子がどのエネルギーにどれくらい存在するのかを考え、最終的に真性半導体のキャリア濃度を計算します。 本動画では、以下の内容を学びます。 ・エネルギー準位とエネルギーバンド ・価電子帯と伝導帯 ・バンドギャップ ・導体・半導体・絶縁体の違い ・フェルミ準位 ・フェルミ・ディラック分布 f(E) ・状態密度 D(E) ・電子のエネルギー分布 D(E)f(E) ・有効状態密度 Nc、Nv ・真性半導体のキャリア濃度 ・真性キャリア濃度の温度依存性 数式だけを追うのではなく、「なぜその式が必要なのか」「何を表しているのか」を できるだけ直感的に説明しています。 半導体物理を初めて学ぶ方が、今後ダイオード、MOSFET、CMOSなどの半導体デバイスを学ぶための基礎となる内容です。 【チャプター】 00:00 オープニング 01:02 半導体とは 03:49 水素原子からエネルギー準位を学ぶ 05:56 シリコン原子を用いて価電子・共有結合の概念を学ぶ 12:19 シリコン結晶を題材にエネルギーバンドを理解する 13:26 シリコン結晶の電子の状態・価電子帯・伝導帯・禁制帯 17:44 金属・半導体・絶縁体のエネルギーバンドの違い 19:28 電気伝導の原理 21:22 熱励起（正孔の発生） 24:11 半導体が電気を流す仕組み 24:42 真性キャリア濃度の計算と温度依存性（状態密度関数とフェルミ・ディラック分布） 32:57 まとめ 33:37 Kanemoto.techの紹介 Correction: 20:04 電界印加時の金属中の電子の挙動を表す模式図について、電子の占有状態と平均的な移動方向をより明確にした補足図を掲載しました。補足図は概要欄のリンクをご覧ください。 東京理科大学「電子デバイス」の授業で使用している講義動画です。半導体デバイスや集積回路を初めて学ぶ大学生の方々や、半導体物理を基礎から学び直したい社会人の方々にも活用いただける内容となっています。 省エネ技術で未来を創る Kanemoto.tech Web：https://kanemoto.tech #半導体 #半導体デバイス #電子デバイス #エネルギーバンド #バンドギャップ #フェルミ準位 #フェルミディラック分布 #状態密度 #真性半導体 #キャリア濃度 #集積回路 #省エネ技術で未来を創る 【補足】 ※本動画では、「エネルギーギャップ」と「バンドギャップ」を同じ意味で用いています。いずれも価電子帯上端と伝導帯下端のエネルギー差を指します。また、「自由電子の密度」と表現している箇所がありますが、本動画では「自由電子の濃度」と同じ意味で用いており、単位体積あたりの電子数を指します。 ※電界印加時の金属中の電子の挙動を表す模式図について、電子の占有状態と平均的な移動方向をより明確にした補足図を以下に掲載しました。 https://kanemoto.tech/wp/education/#e...