2017年 理工学部 シラバス - 電子工学科
設置情報
| 科目名 | 電子物性工学 | ||
|---|---|---|---|
| 設置学科 | 電子工学科 | 学年 | 2年 |
| 担当者 | 岩田 展幸 | 履修期 | 後期 |
| 単位 | 2 | 曜日時限 | 木曜1 |
| 校舎 | 船橋 | 時間割CD | J41F |
| クラス | |||
| 学科ポリシー | ディプロマ・ポリシー【DP】 カリキュラム・ポリシー【CP】 | ||
| 履修系統図 | 履修系統図の確認 | ||
概要
| 学修到達目標 | 基礎的な電子物性の知識をベースとして、電子の波動性を理解し、基礎的な電気伝導を理解する。結晶の周期性とバンド構造、電気特性の違いについて理解する。結晶の構造解析手法であるＸ線回折の原理と応用例を修得し、フーリエ変換と逆格子について理解する。こうした電子物性の基礎を修得することによって、半導体物性ならびにデバイス応用を学習する準備を整えることができる。 |
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| 授業形態及び 授業方法 |
講義は板書とともに、授業内容理解を助けるプリントを配布する。学習の理解を深めるために、自宅中間試験を実施する。 |
| 履修条件 | 高校で学習する基礎的な物理・化学に関する知識、大学における教養課程での物理学の知識を有していること。また、基礎電子物性の単位を取得していることが望ましい。 |
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準備学習（予習・ 復習等）の内容 |
履修条件に合わせ、電子工学科2年・前期に設置されている「基礎電子物性」を受講していることが望ましい。 シラバスの内容を確認し、2-3冊の参考書で該当する箇所を熟読し、予習・復習を行うこと。理解できない点を整理し、質問の準備をしておくこと。本授業では講義内容を覚えるだけでは習得できない。自分で物理的イメージを頭に描けるまで考えることが重要である。数冊の教科書・参考図書を熟読することを強く推奨する。 |
授業計画
| 第1回 | 波が満たす方程式（１） 波動方程式、シュレディンガー方程式 波動方程式からシュレディンガー方程式を導出する。周期的境界条件から波数kが離散値となることを示す。確率波および規格化について説明する。 |
|---|---|
| 第2回 | 波が満たす方程式（２） 波動と粒子の二重性、平面波 電子が持つ波動および粒子の性質と描像を説明する。電子を波動として考えた時の平面波について説明する。 |
| 第3回 | 自由な電子の動き 自由電子気体・自由電子のイメージ、k空間、フェルミエネルギー、フェルミ波数、フェルミ温度、パウリの原理ついて説明する。 |
| 第4回 | 電子分布 単位体積、単位エネルギーあたりの量子状態の数(状態密度)について説明する。また、特にパウリの原理に従うフェルミ粒子が満たすFermi-Dirac分布関数の特徴について説明する。 |
| 第5回 | 電気伝導 あるエネルギーEにおける単位体積あたりの電子密度について説明する。自由電子の電気伝導について説明する。ドリフト速度、衝突時間、平均自由行程、電流密度、移動度、導電率/抵抗率について理解する。 第1回自宅中間テストを実施する。何を参考にしても良いので、問題に回答し、次週までに提出すること。 |
| 第6回 | 結晶周期性による電子状態（１） 周期ポテンシャル中の電子の挙動 周期ポテンシャルによるエネルギーギャップの発生とバンド構造、群速度、有効質量について説明する。 |
| 第7回 | 第1回自宅中間テストの解説 |
| 第8回 | 結晶周期性による電子状態（２） ブロッホの定理、逆格子ベクトル、ブラッグ条件 周期ポテンシャルを反映した波動関数・ブロッホ関数が満たすべきブロッホ条件およびブロッホの定理について説明する。ブラッグ条件と逆格子ベクトルおよび波数ベクトルについて説明する。 |
| 第9回 | 結晶周期性による電子状態（３） ブリルアンゾーン、ブラッグ条件、電気伝導 1,2,3次元ブリルアンゾーン、ゾーン方式、1,2,3次元k空間におけるブラッグ条件と電気伝導について説明する。単純立方格子、体心立方格子、面心立方格子の逆格子ベクトルについて説明する。 |
| 第10回 | X線回折（１） フーリエ変換 フーリエ級数展開、複素フーリエ級数、周期が任意のa[m]とした時の複素フーリエ級数、フーリエ変換、波束のフーリエ変換について説明する。 第2回自宅中間テストを実施する。何を参考にしても良いので、問題に回答し、次週までに提出すること。 |
| 第11回 | X線回折（２） 電子密度とフーリエ級数展開、X線散乱、散乱ベクトル、ラウエの回折条件、ブラッグ条件 実空間上で周期性を持つ電子密度のフーリエ級数展開について説明する。それが逆空間でどのように表現できるかを、ある物質からのX線の散乱強度を計算することで説明する。その計算結果としてブラッグの回折条件との関連性を説明する。 |
| 第12回 | 第2回自宅中間テストの解説 |
| 第13回 | X線回折（３） ブラッグの回折条件、エヴァルド球 ブラッグの回折条件に関する詳細な解説とエヴァルド球を用いたブラッグ回折について説明する。 |
| 第14回 | X線回折（４） 構造因子、原子構造因子、消滅則 電子密度の周期性を逆空間で表現し、その強度を具体的な結晶を用いて計算する。また、ブラッグ条件を満たしても回折強度がゼロとなる消滅則について説明する。 第3回自宅中間テストを実施する。何を参考にしても良いので、問題に回答し、次週までに提出すること。 |
| 第15回 | 第3回自宅中間テストの解説 |
その他
| 教科書 |
川辺和夫、平木昭夫、岩見基弘 『基礎電子物性工学』 コロナ社
坂田亮 『物性科学』 培風館
永田一清 『物性物理学』 裳華房
沼居貴陽 『個体物性入門』 森北出版
小島誠治・澤田昭勝・中村輝太郎 訳 『固体の諸性質』 東海大学出版会
長尾辰哉 他 訳 『固体の電子論』 東海大学出版会
志賀正幸 『材料科学者のための固体電子論入門 エネルギーバンドと固体の物性』 内田老鶴圃
志賀正幸 『材料科学者のための固体物理学入門』 内田老鶴圃
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| 参考書 |
宇野良清 他 共訳 『キッテル 固体物理学入門』 丸善
作道恒太郎 『固体物理 格子振動・誘電体』 裳華房
黒沢達美 『物性論 -固体を中心とした-』 裳華房
今野豊彦 『物質からの回折と結像』 共立出版
小出昭一郎 『量子力学（I)』 裳華房
固体の性質を議論するとき、高校とは異なった感覚での理解が必要である。その理解に慣れるために、多くの教科書を読み比べることが、理解の近道である。よって、簡単に説明してある参考書を紹介する。図書館等で是非、読み比べて欲しい。
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| 成績評価の方法 及び基準 |
定期試験 70％ 中間テスト 30％ |
| 質問への対応 | 講義や演習中に随時受け付けるが、研究室に来てくれてもかまわない。当研究室の大学院生は固体物理を勉強しており、いつでも教えられる。 |
| 研究室又は 連絡先 |
４号館412室 |
| オフィスアワー |
月曜 船橋 09:00 ~ 13:10 4号館412室
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| 学生への メッセージ |
物の性質を理解するためのわかりづらい式が多く出てくるが、その式の意味することをイメージとして頭に残して欲しい。 |