問題一覧
1
次の説明文と図に誤りがある。どこが誤りかを指摘しなさい。
誤りは２つ。ブラック回折ではなくブラッグ回折。もう一つは、ブラッグ回折における入射 光の定義。 光学では一般に、図１に示すように入射角を面法線から成す角で定義する。しか し、ブラッグ回折を式で説明する際には、光線と結晶面のなす角をθ と取っており、視射角 と呼んでいる。
2
面心立方格子では、図１のように規則正しく原子が並んでいるのだから、結晶に対して(1.1)式が成り立つ入射角は１つしかない筈なのに、実際の X 線回折験では図２の NaCl 結晶の例のように複数のピークが観測されるのはなぜか、簡単に説明しなさい。ちなみに n が２以上の場合もあり得ることは除く。
図１では、結晶の原子の間隔の取り方について暗黙に、図 3(a)のような結晶面を考えていた。しかし、結晶面の取り方としては図３(b)や図３(c)のような結晶面もあるので、X 線回折実験ではそれぞれの面に対応した(図２のような)複数のピークが得られるのである。
3
電子デバイスの発展には、古典力学では説明しきれなかった現象を説明可能とした新しい物理体系（〇〇力学）が必要であった。何と呼ばれるか？
量子力学
4
以下の文の空欄を埋めよ。 量子力学では、（ ① ）が（ ② ）的値をとると考えた。この概念から、電子デバイスで解かれる（ ③ ）理論や（ ④ ）現象が説明されるようになり、特に（ ⑤ ）の発展には欠かせない物理概念であった。
①エネルギー ②離散 ③バンド ④トンネル ⑤半導体
5
ドルーデモデルを説明した以下の文章に誤りがある。誤りを正せ。
電気抵抗は温度に依存するが、絶対０度になったからといって全ての物質で電気 抵抗が０ Ω（超伝導）となるわけではない。
6
金属である Na(ナトリウム)を例に、半充満帯を説明しなさい。
最外殻電子が居る 3s 軌道に注目します。２個の Na 原子を近づけていくと、原子間の相互作用によりエネルギー準位は２つに分かれます。 原子が N 個あれば準位は N 個に分かれます。 分裂した凖位が帯状になるので、 バンドと呼ばれています。 電子は、 低い凖位から順番に詰まっていきます。この３ｓバンドのように、電子で半分だけ充填されているエネルギー帯を半充満帯と呼びます。
7
半充満体と電気の伝導を簡単に説明しなさい。
金属では、電子はわずかな熱エネルギーなどにより励起される（励起とは、図５の青い丸●のようにエネルギーを獲得して上の方にいくイメージ） 。こうして、半充満帯の中で自由電子となる。電界を掛ければ、自由電子は電界と逆方向へ移動する伝導電子となる。この伝導電子の流れが即ち電流である。
8
半充満帯での電子の平均移動速度 v を導出しなさい。
9
ビーデマン・フランツの法則とは何か、簡単に説明しなさい。
10
太陽電池やディスプレイでは酸化インジウム錫(ITO)が透明電極として多用されている。ある膜厚 1µm の ITO 膜のシート抵抗が 50Ω□だったとする。体積抵抗率はいくらか？
11
バリスタと呼ばれる電子部品を使うと、電子機器の故障を減らせるという。バリスタの使用例を示し、何故故障が減らせるのか説明しなさい。
バリスタは、ある電圧(しきい値)以下では高い抵抗値を示すが、その電圧を超えた電圧を印加すると急激に電気抵抗が減少する。このため、外部機器と接続するコネクタと LSI との間の結線とグラウンド(接地)との間にバリスタを設ける。帯電した外部機器を繋いだとしてもバリスタを通して高い電圧をグラウンドに逃がすことによって、故障を防げる。また、タッチパネルからの信号を取り込む回路においてもバリスタを設けることで、人体の静電気を逃がすことで、機器の故障を減らすことが出来る。
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積層セラミックコンデンサの長所を挙げなさい。
積層することで電極面積を約 2 倍利用でき、高い精度で均一な誘電体層/電極層を薄く積み重ねることで、小さな体積ながら大きな静電容量を実現できる。
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電解コンデンサの特徴と、使用上注意すべき点を２つ挙げなさい。
入手が容易な電子部品の中では最も静電容量が大きいので、電源の平滑回路や低周波フィルタ回路等に使われる。注意点は、セラミックコンデンサとは異なり極性があることで、極性を逆に繋ぐと容易に破壊してしまう。また、他の電子デバイスと異なり寿命に注意が必要である（悪条件で使用すると寿命が短い）。電気化学的な作用を利用したデバイスなので内部直列抵抗が比較的大きい。
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配向分極・電子分極・イオン分極について、誘電率の緩和が起きる順番に並べなさい。また、そのような順番になる理由も簡単に説明しなさい。
緩和周波数の低い順番に・・・・ ① 配向分極(双極子分極) 極性分子の向きが電界の方向に揃う事で起きる分極。比較的大きな質量をもつ分子自体の回転を伴う事から、光の周波数には追従できない。 ② イオン分極 イオン結晶の陽イオンと陰イオンがそれぞれ反対側に変位され起きる分極。原子の変位による分極であることから、赤外線周波数程度までしか追従できない。 ③ 電子分極 原子の周りを回っている電子が電界の方向に引っ張られて、電子の分布が偏って生じる分極。 変位するのが分子自体→原子→電子分布と、質量(モーメント)の大きいものから、高速の外場の振動（高周波）に追従できなくなる順番に緩和していく。
17
ピエゾ効果とは何か説明しなさい。
対称中心を持たない結晶に電界を印加し分極を起こさせると電界に比例し結晶が歪み（結晶が伸び縮みする）、機械的応力が取り出せる。逆圧電効果ともいう。 <重要> なお、電歪効果は中心対称性を持つ結晶でも生じるので区別が必要です！
18
以下の電子デバイスのうち、圧電材料が使われたものが存在しないものを選べ。 トランス マイク スピーカー バイポーラトランジスタ メモリ 電解コンデンサ ジャイロセンサ プリンターのノズル 衝突回避のための超音波センサ
バイポーラトランジスタ 電解コンデンサ
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強誘電体と普通の誘電体の印加電界 E－分極 P 特性グラフを書け。
残留分極(ヒステリシス曲線が、縦軸P と交わる点）が書かれていなければならない。常誘電体の E－P 特性グラフは原点を通る直線です。
20
図６に示す強誘電体メモリ(FeRAM)の動作を簡単に説明しなさい。
一瞬の電圧を加えることによって自発分極の極性を変化させ、電圧をかけなくてもその分極方向を持続させることのできる性質(スライドのグラフ)を用し、これを記憶素子とする不揮発メモリが FeRAM です。
21
圧電効果と電歪効果の違いを表にまとめなさい。
22
電気機器から音がすることがある（電源周波数の 50Hz や、スピーカーを繋いでないのに音響アンプ内部から音が聞こえてくる、など）。この原因と問題点を指摘しなさい。
コンデンサの誘電体が電歪効果によって伸縮し、基板自体を揺さぶってしまい、 それが音として聞こえることがある。部品の半田付け部分に亀裂が生じ、故障することが ある。
23
強誘電体の分極の大きさの温度依存性の概形をグラフに書きなさい。
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人感センサーとして用いられる焦電素子の動作原理を簡単に説明しなさい。特に、基板と透明電極に挟まれた焦電材料の厚さが薄い方が良い理由も述べなさい。
強誘電体のもう一つの特性は焦電性です。 強誘電体の自発分極は、温度に敏感です。強誘電体の分極は、強誘電体の表面に、空間に漂っている浮遊電荷を吸いつけてしまうことで中和されて、物質の表に出て来ないのです。ところが、赤外線を当てるなどして温度が上昇すると、強誘電体の自発分極が減少してしまいます。すると、強誘電体の表面にくっついていた浮遊電荷の分だけ、余計に帯電しているようになります。この帯電電荷の逃げ道を作ってあげて、検出することで、センサ―として使うことが出来ます。人感センサーは、人間の身体から出る微弱な赤外線を感知し、動作しています。微弱な赤外線でも焦電体の温度が上昇するように、素子自体の熱容量を小さくする（すなわち、薄くする）ことで、感度が上昇します。
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カリウムの電気抵抗の温度依存性のグラフの概形を描け。