電子デバイス

21問 • 2年前

問題一覧

ホール効果

半導体に電流を流し、これと直角方向に磁界を加えた時、印加電流、磁界と直交する方向に、電圧が発生する現象のこと

ホール効果発生のしくみ正孔が速度v、x方向に移動すると、y方向に磁束密度Bの磁界が印加され、（　）方向の( )力F=( )を受ける。これにより、正孔が( )。 ( )による力は( )力と釣り合うため( = )と表される正孔密度をpとおくと半導体の単位面積あたりに流れる電流JはJ=( )なのでホール電界Ehは(Eh= = = )(Rh=1/qp､､ホール係数)と表せる

z ローレンツ qvB 半導体上面にたまるホール電界ローレンツ qvB=qEh qpv vB JB/qp RhJB

観測で得られる半導体の特性3つ

半導体の型(Vhが正ならp、負ならn型) キャリア密度(p,n) キャリアの移動度(μH)

ホール効果の測定により半導体の型を調べられる仕組み

半導体試料の厚さをWとおくとVh=EhWより求められ、Vhが正ならp、負ならn型である

フェルミ準位(温度にも触れて回答)

フェルミ準位は電子の詰まっているエネルギー的な高さを表したものである。厳密にはフェルミ準位は物質が絶対零度の時電子の詰まっている最大のエネルギーの高さと定義され、それ以外の時は電子の存在確率が1/2のエネルギーの高さと定義される

pn接合した時( )型半導体中の( )が( )型半導体領域へ、( )型半導体中の( )が( )型半導体領域へ移動する( )により、( )が一致する。接合付近ではアクセプタとドナーがイオン化し、( )という電位差が発生する。その電位差による電位を( )、その電位差による電界を( )と呼ぶ

p 正孔 n n 自由電子 p 拡散フェルミ準位接触電位差拡散電位内部電界

空乏層(どんな場所に存在し、どんな領域か)

pn接合部あたりに存在し、その近くでは正孔、自由電子が来た場合、内部電界により正孔はn型領域、自由電子はp型領域に追いやられ、キャリアの存在しない領域となっている

電圧印加の向きにより、電圧電流特性が異なる理由(多数キャリア、接合部)

p型側に正の電荷を印加するとそれぞれの多数キャリアが接合部を通過するための電流は流れるが、 n型側に正の電荷を印加すると多数キャリアがそれぞれp型n型のはしに寄ってしまい、接合部を通過しないため電流はほとんど流れないため電圧電流特性が異なる

pn接合の平衡状態のエネルギーバンド図を記入

写真の通りに

pn接合の順方向バイアス印加状態、逆方向バイアス印加状態のエネルギーバンド図を記入

写真

降伏現象

pn接合に逆方向バイアスを印加し、その電圧の大きさをある値以上に大きくすると急激に電流が流れる現象のことツェナー降伏と電子なだれ降伏の2種類ある。

ツェナー降伏発生の流れ(障壁層、禁制帯)

障壁層の幅が薄いため、大きな電界の印加によりそのひずみが大きくなる。すると禁制帯の幅を通り抜ける電子が現れるため電流が流れる

電子なだれ降伏の発生の流れ(衝突、連鎖)

大きな逆方向電圧が加わると、自由電子がSiやGeの原子と衝突する回数が増加する。衝突によりSiやGe原子から新たに自由電子や正孔が作られ、これが連鎖的に発生してその結果大電流が流れる

少数キャリアの蓄積効果

半導体素子内で、外部電界により移動した少数キャリアがその電界を取り除いても残留してしまう現象のこと

少数キャリアの蓄積効果による問題

ダイオードを電子的なスイッチング素子として活用した時に、早いスイッチング時間で状態が切り替わることが要求され、計算機等に利用する場合、不具合が生じてしまう

バイポーラトランジスタ(基本構造)

2カ所のpn接合から構成されている(pnp型、npn型) ３つの領域(端子)がある各領域の不純物濃度を段階的に変えており、領域の幅も異なる(Bのみ極端に薄い) E>B>Cの順に不純物濃度が高い

バイポーラトランジスタ(各領域の役割特徴)

　エミッタ E 印加電圧に応じて多数キャリアをベース領域に送り込む役割　ベース B エミッタ領域から送り込まれた多数キャリアを拡散によってコレクタまで送る役割　コレクタ C ベース領域からの多数キャリアを集める役割

動作原理(エネバン使用せず)

①vccよりBC間のpn接合に逆方向バイアスが加わるので電流はほとんど流れない ②veeよりeb間のpn接合に順方向バイアスが加わるエミッタ領域はp型なので多数キャリアの正孔がベース領域に移動し、一部は自由電子と再結合し消滅するが大部分はコレクタ領域へ移動する vccの作用により正孔はコレクタ領域へ集められるためコレクタ電流が流れる。

バイポーラトランジスタのベース接地回路のエネルギーバンド図を平衡状態、電源接続状態の2つ

写真

ベース接地回路の電流増幅率、エミッタ設置回路の電流増幅率、それらの関係を求める式

α=ic/ie β=ic/ib β=α/(1-α)

電力利得と電力増幅度、電圧利得と電圧増幅度、電流利得と電流増幅度の関係式

Gp=10log10(P0/Pi) Gp=20log10(V0/Vi) Gp=20log10(I0/Ii)

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