第1回講義資料 - 近畿大学 生物理工学部

基礎電子回路
イ
イントロダクション
ダクシ
生物理工学部 電子システム情報工学科
秋濃 俊郎
http://www.info.waka.kindai.ac.jp/~akino/
p //
jp/
/
2011/9/21
第１回：イントロダクション
1
今日の講義で理解して貰いたいこと
• シリコンとは？
シリ ンとは？
• 半導体とは？
半導体
• 授業概要
2011/9/21
第１回：イントロダクション
2
電子回路
≅ シリコンMOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; 金属･酸化膜･半導体電界効果型トランジスタ
Ⅳ族原子
ゲルマニューム
（Ge）
シリコン
（Si）
カーボン
（C）
特徴
最初のTransistor
最初のT
i
現象を発見
現在の主役
次世代の
主役？
現状
ゲルマニューム
を使った
歪シリコン
将来
2011/9/21
？
最小寸法32nm
高電流密度耐性
高集積MOSFET 高熱伝導特性
SiC
（8億Tr./cm
/ 2)
最小寸法10nm
以下のFinFET
第１回：イントロダクション
カーボンナノ
チューブなど
ナノデバイス
3
シリ ン時代 1
シリコン時代‐1
シリコン・バレー
2011/9/21
第１回：イントロダクション
4
シリコン時代
‐
西村吉雄、「
硅石器時代の技術と文明」
、日本経済新新聞社、
年
5
第１回：イントロダクション
2011/9/21
2
19
85
シリコン時代 3
シリコン時代‐3
シリコン（珪素）原材料
• 原子番号14でⅣ族の原子であり、5×1022個／cm3の
原子がある
• 純度の高い単結晶固体状態の半導体シリコン
• シリコン樹脂（シリコーン）は、シリコンと酸素及び有機
物を含むゴム状の高分子で、熱や紫外線に強くて劣
化しにくい
2011/9/21
第１回：イントロダクション
6
シリコン時代‐4
シリコン（珪素）の原産地
• 地球の地殻や石ころには、シリコンが約26%も含ま
れる
• ノルウェーの北極海に接した所では
ノルウェ の北極海に接した所では、約46%のシリ
約46%のシリ
コンを含む二酸化珪素の原石が得られ、これを電
気炉で溶かして還元し、純度98%の粉末シリコンに
仕上げる
• このガスは繰り返し蒸留塔を通るうちに次第に不純
ガ
繰 返 蒸留塔を通るうち 次第
純
物が取り除かれ、高純度のガスに精錬 される
2011/9/21
第１回：イントロダクション
7
シリコン時代‐5
角砂糖のような多結晶シリコン
• 巨大な電気釜
巨大な電気釜の中で、多結晶シリコン種棒に大電流
中 、多結晶シリ
種棒 大電流
を流して、巨大なヒーターとして赤熱する
• 幾重にも付着して太くなったシリコン種棒は、つやの
ない銀色をした純度の高い多結晶シリコンとなる
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第１回：イントロダクション
8
シリコン時代 6
シリコン時代‐6
氷砂糖のような単結晶シリコンの引き上げ
• 石英ルツボの炉に幾重もの炭素製のヒーターを巻き、それに
電気を通して赤熱し その中の入れられている粉々に砕いた
電気を通して赤熱し、その中の入れられている粉々に砕いた
イレブン・ナインの多結晶シリコンを銀色の液状に熔かす
• 炉
炉の上のモーターの回転軸の先に単結晶状態の小さな種結
タ
転軸 先 単結 状態
さな種結
晶を取り付け、液状シリコンの真上に下ろし、マイクロコン
ピュータを使って液状の表面の温度をシリコンの融点に保つ
ように制御し この結晶を回転させ この回転と引き上げ速度
ように制御し、この結晶を回転させ、この回転と引き上げ速度
もマイクロコンピュータにより制御する
• 即ち
即ち、単結晶シリコンの上に作られたマイクロコンピュータを
単結晶シリ ンの上に作られた イク
ンピ
タを
使って、新たな単結晶シリコンを作ることに相当する
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第１回：イントロダクション
9
マイクロコンピュータ‐3
マイクロコンピ
マイクロコンピュータ‐4
タ4
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第１回：イントロダクション
シリコン時代 単結晶引き上げ装置
マイクロコンピュータ‐2
氷砂糖のような単結晶シリコン
マイクロコンピ
マイクロコンピュータ‐1
タ1
7
10
シリコン時代‐8
単結晶シリコンインゴット
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第１回：イントロダクション
11
シリコン時代‐9
純度の高いシリコン単結晶
• Eleven‐Nineの純度
99.999999999%⇒0.000000001%の誤差
⇒1.0×10-9 %以下の純度
• 直径30cm（8インチ）の単結晶ウエハー
1cm角のチップが約600個取れる
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第１回：イントロダクション
12
ナノ (n = 10
(n = 10‐99） について
• MOSトランジスタでは、深さ方向に薄さが 1.5 nm に
近づき、 番微細な寸法となっている
近づき、一番微細な寸法となっている
• 地球の直径が 12,742 Km で
12 742 K で 1.2742×10
1 2742×109 cm であり、
であり
それが1.2742 cm の長さの地球の直径と見なすと、こ
の1 cm の長さは
の長さは 1 nm のナノの世界に相当する
1
のナノの世界に相当する
• 1 nm = 10 Å = 10×10‐8 cm
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第１回：イントロダクション
13
MOSトランジスタの最小寸法推移
長さ： 1/√2
長
/ ≈ 0.71倍、面積：1/2倍
倍、面積 / 倍
• 250nm ⇒ ×0.72 ⇒
• 180nm ⇒ ×0.72⇒
• 130nm ⇒ ×0.69
×0 69 ⇒
• 90nm ⇒ ×0.72 ⇒
• 45nm ⇒ ×0.71
×0 71 ⇒
（4億トランジスタ/cm2）
• 23nm ⇒ ×0.70 ⇒
（（16億トランジスタ/cm
億 ラ ジ タ/ 2）
•
14
第１回：イントロダクション
• 65nm ⇒ ×0.69 ⇒
（2億トランジスタ/cm2）
• 32nm ⇒ ×0.72 ⇒
（8億トランジスタ/cm2）
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今日の講義で理解して貰いたいこと
• シリコンとは？
シリ ンとは？
• 半導体とは？
半導体
• 授業概要
2011/9/21
第１回：イントロダクション
15
半導体シリコンの基本 1
半導体シリコンの基本‐1
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
16
半導体シリコンの基本 2
半導体シリコンの基本‐2
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
17
半導体シリコンの基本‐3
導体
本
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
各エネルギーレベルでは上向きスピン
と下向きスピンの二つの状態のみ
向き ピ
状態
2011/9/21
第１回：イントロダクション
18
半導体シリコンの基本 4
半導体シリコンの基本‐4
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
19
半導体シリコンの基本 5
半導体シリコンの基本‐5
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
20
半導体シリコンの基本 6 半導体シリコンの基本‐6
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
不純物濃度が
5×1017cm‐33の
時、10万個のSi
に1個の不純物
に相当
2011/9/21
第１回：イントロダクション
21
半導体シリコンの基本 7 半導体シリコンの基本‐7
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
22
半導体シリコンの基本 9 半導体シリコンの基本‐9
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
23
半導体シリコンの基本 10
半導体シリコンの基本‐10
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
第１回：イントロダクション
24
平板コンデンサ と類似するMOSFET
平板コンデンサーと類似するMOSFET
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: 金属・酸化膜・半導体・電界効果型トランジスタ)
Q=CV
M
C=S・εox/tox
O
M→S
・現在中心となっている半導体集積回路はMOSFET であり、
MOS、即ち、金属・酸化膜・半導体が深さ方向にサンドイッチ
構造を構成している。
構造を構成している
・n-channel、p-channel の２種類の MOSFET
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25
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 1
MOSFETの基本-1
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
26
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 2
MOSFETの基本-2
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
27
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 3
MOSFETの基本-3
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
28
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-4
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
29
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 5
MOSFETの基本-5
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
30
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 6
MOSFETの基本-6
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
31
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-7
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
32
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-8
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
33
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-9
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
34
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-10
基本
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
35
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 11
MOSFETの基本-11
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
36
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本 12
MOSFETの基本-12
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
37
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-13
基本
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
38
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.1
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
39
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.2
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
40
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.3
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
41
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.4
基本
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
42
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.5
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
43
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.6
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
44
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.7
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
45
第１回：イントロダクション
MOSFETの基本-14.8
谷口研二、宇野重康 著、「絵から学ぶ半導体デバイス工学」、昭晃堂
2011/9/21
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第１回：イントロダクション
電子回路を利用している機器
コンピュータシステム
・大衆車： 50個前後
・高級車： 100個前後（レクサス）
自動車
制御系機器
エンジン用ECU
車内LAN
エアバッグ
情報端末
携帯電話
Bluetooth
ストレージ
光ディスク
ITS
ルータ
ネットワークインフラ
光端局装置
デジタルAV
VDSC,DTV
DVDプレイヤー
TFTモニタ
通信
ネットワーク機器
2011/9/21
ディスプレイ
デジタル
情報機器
ホームネットワーク携
帯情報端末
第１回：イントロダクション
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携帯電話の例
2011/9/21
第１回：イントロダクション
48
最近の集積回路：iPhone4
日経エレクトロニクス 2010‐7‐26
A4チップ
を使用
2011/9/21
第１回：イントロダクション
49
最近の集積回路：iPad‐1
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
50
最近の集積回路：iPad‐2
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
51
最近の集積回路：iPad‐3
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
52
最近の集積回路：iPad‐4
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
53
最近の集積回路：iPad‐5
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
54
最近の集積回路：iPad‐6
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
55
最近の集積回路：iPad‐7
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
56
最近の集積回路：iPad‐8
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
57
最近の集積回路：iPad‐9
日経エレクトロニクス 2010‐6‐14
2011/9/21
第１回：イントロダクション
58
今日の講義で理解して貰いたいこと
• シリコンとは？
シリ ンとは？
• 半導体とは？
半導体
• 授業概要
2011/9/21
第１回：イントロダクション
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授業概要
• 電子回路は、電気回路で取り上げた「抵抗」、「コン
デンサ」、｢コイル」などの受動素子と、「ダイオード」、
「トランジスタ」などの半導体素子からなる能動回路
素子とを組み合わせた回路であり、電子・情報・通
信シ
信システムの基本となる構成要素である。
ム 基本となる構成要素 ある
• 能動回路素子の取り扱い方や増幅回路の考え方に
ついて講義し、後続の「アナログ電子回路」、「ディジ
タル電子回路」などの理解を容易にする。
2011/9/21
第１回：イントロダクション
60
何故 電子回路を学ぶか？
何故、電子回路を学ぶか？
• すべての電子機器は、電子回路とソフトウエ
アで動作している。
• ソフトウエアも電子回路で作られたプロセッサ
上で動作している。
上で動作している
• 電子回路とは、トランジスタを使った回路。
2011/9/21
第１回：イントロダクション
61
授業内容
0
1
2-4
5
6-7
8
9
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イントロダクション
半導体とは
ダイオードとトランジスタ
スイッチング回路
増幅の基礎と実際
（中間試験）
結合方式
FET
定期試験
第１回：イントロダクション
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授業の進め方
• 出席はとらない。
席
な
• ほぼ毎回、演習を行う。
• 定期試験（６０％）、
中間試験（２０％）、
演習 宿題レポ トの提出（２０％）の割合で
演習・宿題レポートの提出（２０％）の割合で
配点し、黒板で解答した学生には加点を行う。
2011/9/21
第１回：イントロダクション
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演習の注意
• 満点が当たり前（答えを示し
満点が当たり前（答えを示し、各自チェックしている。）
各自チ ックしている ）
• 単位を書く
– 信号成分を特に注意
• K, mなどを必ず使う
– 10のべき乗は駄目
• 図には必ず、素子の記号、数字を入れる
≅ を使う
• 四捨五入した時は、≒あるいは
捨
時 、 あ
• 大文字、小文字を使い分けること。字の大きさも違う。
• 添え字は小さく書くこと
• 読める字で書く
2011/9/21
第１回：イントロダクション
64