電子物性第一

＜量子から理解する固体中の電子 ― バンド構造・電子輸送からデバイスへ＞ 半導体、金属、絶縁体など、物質はそれぞれ異なる電気的・光学的性質を示します。こうした物質の性質を理解し、電子デバイスや光デバイスの動作を考えるための鍵は、「結晶中の電子がどのようなエネルギー状態をとり、どのように運動するか」にあります。本講義では、量子力学を出発点として、固体中の電子のバンド構造と電子輸送の基礎を学び、それらが実際の電子・光デバイスの特性とどのように関係するかを理解します。 前半では、結晶格子と逆格子、ブロッホの定理、周期的ポテンシャル中のシュレディンガー方程式を学び、エネルギーバンドがどのように形成されるのかを理解します。Si、Ge、GaAs、窒化物などの代表的な半導体を例に、バンドギャップ、直接遷移・間接遷移、有効質量などの違いが、トランジスタ、発光・受光デバイス、高周波・パワーデバイスなどの材料選択や特性にどのようにつながるかを学びます。 後半では、有効質量、電子と正孔、フェルミ分布、ボルツマン輸送方程式を通して、電流、抵抗、移動度など電子輸送の基本原理を理解します。さらに、フォノンや不純物による散乱を学び、温度や不純物濃度によって電気伝導がどのように変化するのか、また、それらが半導体デバイスの性能をどのように左右するのかを考えます。 これらを通して、MOSFETをはじめとする半導体デバイス、LED・レーザーなどの光デバイス、高周波・パワーデバイスの動作を物性の立場から理解するとともに、金属、トポロジカル物質、量子材料など、現代の固体物理へと発展するための基礎を身につけることを目指します。 電気電子工学科では、「電子物性基礎」「電子物性第一」「電子物性第二」を通して固体物理学を学びますが、本講義はちょうどその中間に位置します。量子力学と固体の基礎から出発し、電子・光デバイスを支えるバンド構造と電子輸送を学ぶとともに、「電子物性第二」で扱う多彩な固体物性へとつながる基礎を身につけます。「電子物性基礎」の履修は必ずしも必須ではありませんが、履修していれば、理解をより一層深めることができると思います。