NO3 メカトロニクス 「半導体素子part1」
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April 16, 22
スライド概要
ダイオード，LEDなどの半導体の原理を理解し，利用できるようにする
機械系のためのメカトロニクス
これまでに主に，ロボティクス・メカトロニクス研究，特にロボットハンドと触覚センシングの研究を行ってきました。現在は、機械系の学部生向けのメカトロニクス講義資料、そしてロボティクス研究者向けの触覚技術のサーベイ資料の作成などをしております。最近自作センサの解説を動画で始めました。https://www.youtube.com/user/shimojoster 電気通信大学 名誉教授
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各ページのテキスト
UEC 第3回エレクトロニクス基礎その2 メカトロニクス 「半導体素子part1」 下条 誠* *電気通信大学 名誉教授 機械系のためのメカトロニクス 1
UEC 達成目標 1. ダイオード，LEDなどの半導体の原理を理解し，利用でき るようにする 2. トランジスタ，MOSFET，サイリスタなどを理解し，増幅器， パワーエレクトロニクスなどに利用できるようにする 参考のためのスライドです。とばしても構いません。 2
UEC 半導体とは何か ⚫ 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 3
UEC 電気を運ぶもの 電流とは，“電子の流れ”のこと 電気抵抗が小さいとは， “電子の動くことが容易である”こと 電子の流れ - - - - 電流の流れ 4
UEC 電子とは 電子 - - - 原子核 + + + + + + - - 原子構造例 （陽子と中性子） - ⚫ 陽子は正電荷を持ち ⚫ 電子は負電荷を持つ 5
UEC 導体・絶縁体・半導体（金属は導体である） 1. 銅などの金属は電気を通す。 2. それは電気を運ぶものが金 属の中にあるからです。 自由電子 3. 即ち自由に動ける電子があ る。 4. これを自由電子という。 5. この自由電子があるために 金属は電気を通すのです。 金属原子 導 体 6. 導体とは，この自由電子の 数が多いものです。 6
UEC 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。 自由に 動けない 電 子 絶縁体 銅 抵抗率 𝟏. 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 𝛀𝒄𝒎 シリコン ガラス 約 𝟏𝟎𝟑 𝛀𝒄𝒎 約 𝟏𝟎𝟏𝟐 𝛀𝒄𝒎 7
UEC 半導体（導体・絶縁体・半導体） 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。 自由電子 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 半導体 銅 抵抗率 𝟏. 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 𝛀𝒄𝒎 シリコン ガラス 約 𝟏𝟎𝟑 𝛀𝒄𝒎 約 𝟏𝟎𝟏𝟐 𝛀𝒄𝒎 8
UEC シリコン （半導体） - - シリコン： 地球に最も多く含まれる 元素のひとつ。 - 珪素、硅素とも呼ばれる - シリコン原子(Si) 最外殻の電子は4個 原子番号：１４ 価電子の数：４ 現在の周期表では14族。族番号の１の位 の数字が最外殻電子数を示す。 注）旧式の表記ではIV族 9
UEC シリコンの結晶構造 シリコンの結晶構造 正四面体構造 http://www.isas.jaxa.jp/j/topics/topics/2012/0210.shtml 構造モデル http://www.solartech.jp/knowledge/semiconductor.html 10
UEC シリコンは電気を通すか 結晶の原子同士の結合に電子が 使われる 共有 結合 自由に動ける電子が無い ほぼ電気を通さない 価電子数 ４ シリコン結晶 銅 抵抗率 𝟏. 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 𝛀𝒄𝒎 シリコン ガラス 約 𝟏𝟎𝟑 𝛀𝒄𝒎 約 𝟏𝟎𝟏𝟐 𝛀𝒄𝒎 11
UEC ｎ型半導体とは Si（価電子数４）の中に，リン（P）， ヒ素（As)など，価電子数５の元素を 入れる 自由電子 Si結晶の結合に使われず，余った 電子（自由電子）が生じる この自由電子が移動することで 電流が流れる 価電子数 ５ ｎ型半導体 (negative semiconductor) キャリア（電気を運ぶもの）：電子 電荷 ：マイナス 12
UEC p型半導体とは Si（価電子４）の中に，ホウ素（B） など価電子数３の元素を入れる Si結晶の結合で不足電子が生じる。 これは電子の空席（孔）となる 価電子数 3 ホール この電子の空席（ホール，正孔）が 移動することで電流が流れる （正孔） ｐ型半導体 （positive semiconductor） キャリア（電気を運ぶもの）:ホール（正孔） 電荷： プラス 13
UEC 半導体（ｎ型とp型）まとめ ｎ型： ｐ型： 自由電子が移動することで，電流 が流れる。 電子が抜けた孔（ホール）が移動 することで，電流が流れる。 キャリア ：自由電子 電荷 ：マイナス キャリア ：ホール（正孔） 電荷 ：プラス 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。 14
UEC ビデオ 半導体の話 ビデオ 第28回科学技術映画祭入賞作品 https://www.youtube.com/watch?v=GQ-TILyqXxI 15
UEC ここまでのまとめ ⚫ 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）） 注） ✓ 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 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 シリコン単結晶製造（ビデオ） ・99.999999999％(イレブンナイン)の純度 ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=mtAK1p-e3Ro 17
UEC ドーピング(doping) ⚫ 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。 • 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。 添加物例 （一度にははどれか 一種？） • 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 https://www.ave.nikon.co.jp/semi/technology/story02.htm 18
UEC 半導体を用いた素子 ⚫ ダイオード ① ダイオード ② 発光ダイオード （LED) まず，ダイオードの 仲間ついて説明する 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 19
UEC ①ダイオード(diode) ⚫ 一方向にのみ電流を流す特性がある。 陽極 アノード 陰極 カソード 電流の流れる方向 アノード (Anode) カソード（英: Cathod，独: Kathode） http://ja.wikipedia.org/ 20
UEC ①ダイオード ダイオードは，電子回路の至る所に 利用されている 21
UEC 発光ダイオード（LED) LEDもダイオードの仲間 http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/~azuhata/ 22
UEC ①ダイオードの仕組み（ビデオ） ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=__IfdtfnuPs 23
UEC ①ダイオード ｎ型とｐ型の半導体を接合したもの ｐ型半導体 ｎ型半導体 電子 正孔 ダイオードは、n型半導体とp型半導体が 接続された構造をしている 注） 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 24
UEC 電界から，電子，正孔が受ける力 電界をかけると，電子は電界と逆方向の， 正孔は電界方向の力を受ける 電界から受ける力 電子 正孔 電界 電位 電位 受ける力 電子 正孔 受ける力 25
UEC ①ダイオードの動作原理1（順方向電圧） 電流 陽極 アノード 陰極 カソード 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。 - + ｐ型 正孔 + ｎ型 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。 電子 - (a) 順方向電圧 + アノード 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。 カソード 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。 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 26
UEC 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。 陽極 アノード 陰極 カソード 空乏層 - + ｐ型 - ｎ型 + 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 アノード + 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。 カソード 27
UEC ①ダイオードの特性（順方向降下電圧VF） 順方向 電流 VF 実際には，順方向に電流を流すの には，電圧VFが必要です。 順方向 電圧 順方向降下電圧VF + - ① シリコン：0.6Ｖ～0.7Ｖ、 ② ゲルマニウム：0.2Ｖ～0.3Ｖ アノード カソード 28
UEC ②ツェナーダイオード(定電圧ダイオード) 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） 順方向 電流 降伏電圧 順方向 電圧 ツェナ-電圧 VZ 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 VF 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。 29
UEC ツェナーダイオードによる定電圧電源回路例 VZで電圧を一定に保つ 15ｍＡ １２Ｖ 5ｍＡ Iin Iout 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 Vin １.出力電流Ioutとツェナー電流IZから抵抗R1決める 𝑅1 = 5.6Ｖ Ｒ１ 427Ω VZ 10ｍＡ 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑧 , 𝐼𝑖𝑛 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 + 𝐼𝑧 𝐼𝑖𝑛 ２.ツェナーダイオードの電力損失 IZ 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 𝑃𝐷 = 𝑉𝑧 × 𝐼𝑧 𝑃𝐷(max) = 𝑉𝑧 × 𝐼𝑖𝑛 設計例：入力電圧１２V,出力電圧５.6V,出力電流5ｍAの場合 𝑅1 = 12 − 5.6 = 426.7 ≅ 427Ω 0.015 𝑃𝐷(max) = 5.6 × 0.015 = 84𝑚𝑊 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 𝐼1 = 16 − 5.6 = 0.02436 ≅ 24.4𝑚𝐴 427 𝑃𝐷(max) = 5.6 × 0.0244 = 137𝑚𝑊 𝐼𝑧 = 24.4 − 5 = 19.4𝑚𝐴 30
UEC 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。 + アノード アノード (Anode) - カソード カソード（英: Cathod，独: Kathode） https://ja.wikipedia.org/wiki 31
UEC ③発光ダイオード原理（LED)+ 再結合 陽極 アノード 正孔 発光 陰極 カソード 電子 + - 発光 電子と正孔が再結合するとき，余分な エネルギーが光に変換される 32
UEC ③発光ダイオード原理（LED) + ｐ型 - 電流 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。 ｎ型 + - バンド ギャップ (Eg) 電子 伝導帯 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。 価電子帯 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。 再結合 正孔 光エネ ルギ 𝑐 𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ 𝜆 プランク定数 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。 光速 波長 Eg 発光色を決める 33
UEC ③LEDの発光色の違いは，バンドギャップEgの違い 電子 伝導帯 Eg 再結合 正孔 価電子帯 材 料 𝟏𝟐𝟒𝟎 𝝀(𝒏𝒎) = 発光波長 𝑬𝒈 𝑬𝒈 𝒆𝑽 バンドギャップ 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 https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html 34
UEC ③半導体材料（異なる発光色を求めて） 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。 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 https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html 35
UEC 周期表での族の呼び方 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 ✓ 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。 https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html 36
UEC ③化合物半導体（GaAs） ヒ化ガリウム (gallium arsenide) 特長 As Ga 応答が速く，消費電力の 少ない半導体素子の製造 に適した材料 高速通信用の半導体素子 の材料として用いられる バンドギャップ：1.43 eV https://ja.wikipedia.org/wiki 37
UEC ③化合物半導体(GaN) 窒化ガリウム gallium nitride (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 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 https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium_nitride 38
UEC 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 注）次SLIDE 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 39
UEC 発光ダイオードの順方向降下電圧(VF) 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。 http://lednique.com/current-voltage-relationships/iv-curves/ 40
UEC 青色LEDと蛍光物質（ビデオ） ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=uhZRkjTpKv4 41
UEC ④フォトダイオード原理 正孔と電子 の対発生 光のエネルギー 正孔 電子 陽極 アノード 光 陰極 カソード - + 逆バイアス電圧 （LEDの逆） 入射光のエネルギーにより，電子と正孔の対が生成される 物質は、光のエネルギ（光子）を吸収して電子（電気のエネルギ）として 放出することができる。半導体では、光起電力効果と呼ばれる。 42
UEC ④フォトダイオード原理 光 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。 逆バイアス電圧 - 電子 電子・正孔 対発生 正孔 応用 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。 + 伝導帯 光吸収 価電子帯 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。 43
UEC ⑤太陽光発電素子 太陽光発電素子に太陽の光が当たると、電子と正孔が発生し、 表面と裏面につけた電極に負荷をつなぐと電流が流れ出す フォトダイオードの場合と原理は同じ https://www.tepco.co.jp/electricity/mechanism_and_facilities/power_generation/renewable_energy/megasolar/mechanism.html 44
UEC ⑤太陽光発電（ビデオ） ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=yGnJ0cffa5o 45
UEC 半導体素子part1 おわり 半導体素子part2へ 46