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機械系のためのメカトロニクス 2）エレクトロニクス基礎その2（半導体part1)
- 3. UEC 半導体とは何か 3 ⚫ 導体・絶縁体・半導体 ⚫ 半導体：（シリコン） ✓ n型半導体 ✓ p型半導体 ⚫ 半導体を用いた素子 ① ダイオード ② 発光ダイオード （LED) ③ ツェナーダイオー ド(定電圧ダイオー ド) ④ フォトダイオード ⑤ 太陽光発電素子 ⚫ 増幅素子 ⚫ 電力素子
- 7. UEC 7 絶縁体（導体・絶縁体・半導体） 1. しかし，ガラス，陶器 などの絶縁体ではこの 自由電子がありません。 2. だから電流が流れない のです。 絶縁体 自由に 動けない 電 子 約 𝟏𝟎 𝟑 𝛀𝒄𝒎 約 𝟏𝟎 𝟏𝟐 𝛀𝒄𝒎 銅 シリコン ガラス 抵抗率 𝟏. 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 𝛀𝒄𝒎
- 8. UEC 8 半導体（導体・絶縁体・半導体） 半導体とは、導体と絶縁 体の中間的な電気抵抗を 示す物質です 1. ただし，半導体は，こ の自由電子が少しあり ます。 2. だから少し電流を流し ます。 半導体 自由電子 約 𝟏𝟎 𝟑 𝛀𝒄𝒎 約 𝟏𝟎 𝟏𝟐 𝛀𝒄𝒎 銅 シリコン ガラス 抵抗率 𝟏. 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 𝛀𝒄𝒎
- 11. UEC 約 𝟏𝟎 𝟑 𝛀𝒄𝒎 約 𝟏𝟎 𝟏𝟐 𝛀𝒄𝒎 銅 シリコン ガラス 抵抗率 𝟏. 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 𝛀𝒄𝒎 11 シリコン結晶 ほぼ電気を通さない 結晶の原子同士の結合に電子が 使われる 自由に動ける電子が無い シリコンは電気を通すか 価電子数 ４ 共有 結合
- 14. UEC 14 半導体（ｎ型とp型）まとめ キャリア ：ホール（正孔）キャリア ：自由電子 ｎ型： 自由電子が移動することで，電流 が流れる。 ｐ型： 電子が抜けた孔（ホール）が移動 することで，電流が流れる。 電荷 ：プラス電荷 ：マイナス 注） 半導体材料として，シリコンような単元素を材料としたものに対して，複数の元素を組合わせた化合物半導体がある。
- 16. UEC ここまでのまとめ 16 ⚫ 電流とは，電子の流れである ✓ 自由に動ける電子（自由電子）が多いと，電流が流れやすい ✓ 純粋シリコン結晶は自由電子が(ほぼ)ないため， (ほぼ)電流は流れない ⚫ ｎ型半導体 （キャリア：電子） ✓ シリコン（４価の元素）にヒ素 （５価の原子）などを混ぜると， 自由電子が生じ，電流が流れる ⚫ ｐ型半導体 （キャリア：ホール（正孔）） ✓ シリコン（４価の元素）にホウ素（３価の原子）などを混ぜると， 電子の空席（正孔，Hole）が生じる ✓ このホールにより，バケツリレーのようにして，電子が動けるので 電流が流れる 注） 半導体材料として，シリコンような単元素を材料としたものに対して，複数の元素を組合わせた化合物半導体がある。
- 17. UEC 17 ・99.999999999％(イレブンナイン)の純度 シリコン単結晶製造（ビデオ） https://www.youtube.com/watch?v=mtAK1p-e3Ro ビデオ
- 18. UEC ドーピング(doping) 18 ⚫ 純粋なシリコン結晶（真性半導体）に極少量の添加物を入れて， キャリアを作ることをドーピングといいます。 ✓ 電子が多数派キャリアの半導体がｎ型半導体です。 ✓ ホール（正孔）が多数派キャリアの半導体がP型半導体です。 ⚫ 添加物の量によって電気の通りやすさを制御できます。 ✓ 添加物にはドナーとアクセプタの二種類があります。ドナーは自由電子 を供給し、アクセプタは正孔(ホール)を供給します。 https://www.ave.nikon.co.jp/semi/technology/story02.htm • シリコンウェハにホウ素やリン、ヒ素などをしみこませ、 シリコンウェハに，n型，p型半導体の部分を作り，ト ランジスタやダイオードなどの素子を形成します。 • 酸化膜は，絶縁体で添加物のウェハへの浸透をブロック します。 酸化膜 添加物例 （一度にははどれか 一種？）
- 19. UEC 半導体を用いた素子 19 ⚫ ダイオード ① ダイオード ② 発光ダイオード （LED) ③ ツェナーダイオード (定電圧ダイオード) ④ フォトダイオード ⑤ 太陽光発電素子 ⚫ 増幅素子 ✓ トランジスタ ✓ MOS ⚫ 電力素子 ✓ サイリスタなど ✓ 電力変換 インバータ，コンバータ まず，ダイオードの 仲間ついて説明する
- 20. UEC 20 ①ダイオード(diode) ⚫一方向にのみ電流を流す特性がある。 電流の流れる方向 http://ja.wikipedia.org/ アノード (Anode) カソード（英: Cathod，独: Kathode） 陽極 アノード 陰極 カソード
- 26. UEC 26 ①ダイオードの動作原理1（順方向電圧） 1. 陰極に外部からマイナス電圧を加えると，n 形 半導体中の自由電子はマイナス電圧に反発して 電極と反対方向の電極側へ移動する。 2. 陽極ではプラスの電圧が加わり，正孔は電圧に 反発して電極と反対方向の電極側へ移動する。 3. 陰極と陽極から供給される電子と正孔は，それ ぞれpn 接合部に向かい，接合部において結合 し電子と正孔は消滅する。 陽極から正孔，陰極から電子が供給され続 け，pn接合部で電子と正孔は再結合するた め，電流が流れ続ける。 (a) 順方向電圧 注） 空乏層： n型とｐ型の接続部ではお互いの電子と正孔が打ち消し合い、キャリアが不足した空乏層が形成される カソードアノード -+ - 電子正孔 + 陽極 アノード 陰極 カソード 電流 ｎ型ｐ型 -+
- 27. UEC 27 ①ダイオードの動作原理2（逆方向電圧） 逆電圧をかけると次のようになる。 このようにダイオードは電圧が逆方向 の場合，電流が流れない特性を示す。 1. n 形半導体中の電子は陰極側へ，p 形半導体中の正孔は陽極側へと移動し， それぞれに分離する 2. すると電子，正孔のキャリアのない 空乏層が広がり，電流は接合面を通し て，流れることはない (b) 逆方向電圧 - + 空乏層 ｎ型ｐ型 - + 陽極 アノード 陰極 カソード +- カソードアノード
- 29. UEC 29 ②ツェナーダイオード(定電圧ダイオード) 順方向 電圧 VF 降伏電圧 １.逆方向電圧を増加させる と電圧値Vz で急激に電流 が流れるようになる （ツェナー効果） ２.ツェナーダイオードは， 外部の負荷によって電流値 が変化しても，そのダイ オードに固有のツェナー電 圧Vz は，ほぼ一定である 応用： ⚫ 直流電源電圧の安定化 ⚫ 電圧制限用のリミッタ回路 ⚫ 過電圧の吸収などに用いら れる。 順方向 電流 VZ ツェナ-電圧
- 30. UEC 30 ツェナーダイオードによる定電圧電源回路例 例）10-16Ｖ間で変動する入力電圧から安定 した定電圧を得る回路 𝑅1 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑧 𝐼𝑖𝑛 , 𝐼𝑖𝑛 = 𝐼 𝑜𝑢𝑡 + 𝐼𝑧 １.出力電流Ioutとツェナー電流IZから抵抗R1決める ２.ツェナーダイオードの電力損失 𝑃𝐷 = 𝑉𝑧 × 𝐼𝑧 𝑃𝐷(max) = 𝑉𝑧 × 𝐼𝑖𝑛 最大損失は，出力電流がゼロと なった場合，全ての電流がツェナー ダイオードに流れる １２Ｖ 427Ω 5.6Ｖ 15ｍＡ 5ｍＡ 10ｍＡ Ｒ１ Vin VZ IZ Iin Iout VZで電圧を一定に保つ 𝑅1 = 12 − 5.6 0.015 = 426.7 ≅ 427Ω ここで，入力電圧が14Vに変動すると，出力電圧は変わらず，ツエナー電流が増加する 設計例：入力電圧１２V,出力電圧５.6V,出力電流5ｍAの場合 𝐼1 = 16 − 5.6 427 = 0.02436 ≅ 24.4𝑚𝐴 𝑃𝐷(max) = 5.6 × 0.015 = 84𝑚𝑊 𝑃𝐷(max) = 5.6 × 0.0244 = 137𝑚𝑊 𝐼𝑧 = 24.4 − 5 = 19.4𝑚𝐴
- 31. UEC 31 ③発光ダイオード（LED) ⚫ ダイオードの順方向に電圧を加え， 流れる電流により発光する。 ⚫ LED(Light Emitting Diode）と略記 する。 https://ja.wikipedia.org/wiki -+ カソードアノード アノード (Anode) カソード（英: Cathod，独: Kathode）
- 33. UEC 33 -+ 電流 ｎ型ｐ型 -+ 電子 正孔 再結合 伝導帯 価電子帯 𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ 𝑐 𝜆 光エネ ルギ 光速 波長プランク定数 バンド ギャップ (Eg) 電子と正孔の再結合のエネル ギーが光として放出される。 1. 図に示すように電子と正孔は、異なっ たエネルギー帯（伝導帯と価電子帯） を流れ， pn接合部付近で再結合する。 2. 再結合時に、禁制帯幅（Eg:バンド ギャップ）にほぼ相当するエネルギー が光として放出される。 3. 放出される光の波長は材料のバンド ギャップ(Eg)によって決まる。バンド ギャップが大きくなるにつれ，赤外， 赤，緑，青と発光色が違ってくる。 Eg 発光色を決める ③発光ダイオード原理（LED)
- 34. UEC ③LEDの発光色の違いは，バンドギャップEgの違い 34 𝝀(𝒏𝒎) = 𝟏𝟐𝟒𝟎 𝑬 𝒈 𝑬 𝒈 𝒆𝑽 バンドギャップ 材 料 Eg (eV) 発光波長 発光色 GaAs 1.4 885 nm 赤外 GaP 1.8～ 2.26 549 ～ 700 nm 緑 ～ 赤 InGaAlP 1.9 ～ 2.3 539 ～ 653 nm 緑 ～ 赤 InGaN 2.1 ～ 3.2 388 ～ 590 nm 紫外 ～ 緑 GaN 3.4 365 nm 紫外 ～ 青 発光波長 電子 正孔 再結合 伝導帯 価電子帯 Eg https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html
- 35. UEC 35 半導体 単元素 Si, Ge 化合物 II-VI族：ZnSe, CdTe III-V族：GsAs,Inp,GaN IV-V族：SiC 半導体として，シリコン(Si)のように単元素を材料にしてたものと， 複数の元素を材料にしたもの（化合物半導体）がある。 https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html ③半導体材料（異なる発光色を求めて）
- 36. UEC 36 周期表で族の番号のつけかたは3種類あり，混乱の元となっている。 ⚫ アラビア数字：国際純正・応用化学連合（IUPAC）が旧式の番号をふり直したもの ⚫ ローマ数字：もともと考案された時点での分類 ✓ 旧IUPAC方式 - Aは周期表左側、Bは周期表右側 主にヨーロッパで使用された ✓ 旧CAS方式 - Aは主族元素、Bは遷移元素 主にアメリカで使用された https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%83%E7%B4%A0%E3%81%AE%E6%97%8F 例）ローマ数字表記 https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html ✓ IV族のシリコンは価電子を4個 ✓ III族のホウ素は価電子を3個 ✓ V族のリンは価電子を5個 持っている。 周期表での族の呼び方
- 38. UEC 38 ③化合物半導体(GaN) 主に青色発光ダイオードの材 料として用いられる半導体 窒化ガリウム gallium nitride (GaN) https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium_nitride 特徴 ✓ 熱伝導率が大きく放熱性に優 れている ✓ 高温での動作が可能 ✓ 電子の飽和速度が大きい ✓ 絶縁破壊電圧が高い バンドギャップ： 3.4 eV
- 39. UEC 39 ③発光ダイオード（LED)特性 順方向電圧降下（VF）は，発光色によって違う。 ✓ 赤色・橙色・黄色・緑色：2.1V程度 ✓ 白色・青色：3.5V程度 光の特徴 １．不要な紫外線や赤外線を含まない ✓ 紫外線に敏感な文化財や芸術作品や、 ✓ 熱照射を嫌う物の照明に用いられる ２．光出力の応答が早い ✓ 通信などに利用される 注）次SLIDE
- 40. UEC 40http://lednique.com/current-voltage-relationships/iv-curves/ 順方向 電流 順方向 電圧 VF 発光ダイオードは順方向降下電圧 (VF)が高い。 ✓ 赤外(IR)では1.4V程度。 ✓ 赤色(R)・橙色(O)・緑色(G) ・ 黄色(Y) では2.1V程度。 ✓ 青色(B) ・白色(W) では3.5V程 度。 ✓ 紫外線(UV)は，4.5から6V程度 である。 発光ダイオードの順方向降下電圧(VF)
- 43. UEC ④フォトダイオード原理 43 逆バイアス電圧では，電子，正孔がダイオードの両極 に集まり，接合部近傍には空乏層ができる。このため 電気が流れない。 フォトダイオードに図のように逆バイアス電 圧を加え，光を当てると電流が流れる。 しかし，光が当たると，結合する電子をはじき出し， 自由電子を生成する。このとき，電子が飛び出た後が 正孔となる。 すなわち，光のエネルギーにより電子と正孔の対が生 じる。この対で生成した電子はプラス方向に，正孔は マイナス方向に流れ，電流が流れることになる。 ✓ フォトダイオードに流れる電流は，光強度の増加に比例して増加するので直線 性の良い光検出器となる。 ✓ このため，CCD，コンパクトディスクプレイヤー等の光検出器に使用される。 ✓ このほか，高速であるため、光通信システムや光制御に利用される。 応用 - + 光 光吸収 電子 正孔 伝導帯 価電子帯 電子・正孔 対発生 逆バイアス電圧