Takashi KITA OnLine Reference

LECTURE

電磁気学Ⅰ

講義の概要

電磁気学は電気電子工学および物理学の基礎科目として重要である。授業の中心課題はマクスウェルの方程式である。歴史的背景を持ついくつかの実験的法則を順次導入し、また、ベクトル解析の基礎知識の助けを借りてこれら方程式を展開する。電磁気学 I の講義は電場を中心に行い、電磁気学 II の磁場の取り扱いをもって完全なマクスウェルの方程式に至る。

The thema is an inductive approach for electric field as individual concenpts that are later unified in Maxwell's equations.You will understand the physical framework describing properties of electric field, and the approach is to emphasize problem-solving skill.

開講日時

木曜1時限 (8:50-10:20)、2時限 (10:40-12:10) LR501教室

講義の対象

電気電子工学科2年生及び再履修学生

教科書

「工学系の基礎電磁気学」W.H.ヘイト著 山中惣之助、岡本孝太郎、宇佐美興一 訳(朝倉書店)

シラバス

講義は以下の内容で進行する。演習を毎回の授業の最後で実施するとともに、演習だけの授業を設ける予定である。

  • 第1章 ベクトル解析(1.1から1.7)(1回)
    内容:ベクトル解析は電磁気の持つ物理的性質を浮き彫りにし、物理現象の解釈を一層明確にする。この章では電磁気学に必要な内積、外積を復習する。
    到達目標:ベクトル成分、単位ベクトル、内積、外積を理解し、数学の速記法であるベクトル解析を身につける。
  • 第1章 ベクトル解析(1.8から1.9)(1回)
    内容:直交座標、円筒座標、球座標におけるベクトルの取り扱いを講義する。
    到達目標:直交座標、円筒座標、球座標など空間対称性を考慮すると便利な電磁気の諸問題をベクトルで取り扱えるようになる。
  • 第2章 クーロンの法則・電界の強さ(2.1から2.6)(2回)
    内容:クーロンの法則は電荷が存在するときに働く基本的な原理である。この章では真空、すなわち自由空間に静電界に制限して、先に学んだベクトルをふんだんに用いてクーロンの法則のもつ性質を講義する。
    到達目標:クーロンの実験的法則からスタートし、点電荷、体積電荷によるクーロン力と電界を解析的に得られるようになる。また簡単な例として線電荷、面電荷によって創られる電界が扱えるようになる。この章の重要性は線電荷、面電荷など対称がある問題について厳密なアプローチをしていくと、いかに高度な数学の知識が必要になるかに気づく。
  • 第3章 電束密度・ガウスの定理・発散(3.1から3.3)(1回)
    内容:Faradayが得た(閉曲面を通過する電束)=(その面で囲んだ全電)という関係を定式化し、ガウスの定理を導く。ガウスの定理を利用できる対称性の存在が明らかな問題の取り扱いについて講義する。
    到達目標:第2章で学んだクーロンの法則に比べて対称性を有する線電荷、面電荷の創る電界についてガウスの法則を適用するといかに簡単に解が得られるかということに気づく。
  • 第3章 電束密度・ガウスの定理・発散(3.4から3.7)(2回)
    内容:ガウスの定理が一見当てはまらないような全く対称性を持たない問題に対して、体積素片を選んで解く方法を講義する。またここから発展してMaxwellの方程式の1つを導き、発散の定理を講義する。
    到達目標:ガウスの定理の微分形よりMaxwellの方程式の1つを理解できる。電磁気で非常に有用な発散の定理について理解できる。電界から電荷、電荷から電界が自在に求めることができる。
  • 第4章 エネルギー・電位(4.1から4.6)(1回)
    内容:点電荷に加える仕事からスタートし、電位へと考えを進めていく。電位の場について講義した後、閉路に沿って単位電荷を動かしても仕事はなされないという保存性の場について述べる。
    到達目標・・・電位の扱い方を理解し、静電界において成立する保存性の場の扱いをマスターできる。電界から電位、電位から電界を自在に求めることができる。
  • 第4章 エネルギー・電位(4.7, 4.8)(1回)
    内容:電気双極子の創る電場、電位を求め、双極子モーメントを導く。また、静電界のエネルギーについて講義する。
    到達目標:これまでに学んできた知識を動員して非常に重要な電気双極子問題を解けるようになる。静電界のエネルギーよりコンデンサーに蓄えられるエネルギーを求められるようになる。
  • 第5章 導体・誘電体・静電容量(5.1から5.5)(1回)
    内容:導体における静電界の性質を講義する。特に導体と自由空間の境界条件について詳しく述べ、電磁気で極めて重要な影像法の考え方へと導く。また、誘電媒質を考えた電磁気の取り扱いについて講義する。
    到達目標:導体と自由空間の境界条件を理解でき、影像法を用いた新しいアプローチをマスターする。より一般的な電磁気問題を扱う上で重要な誘電媒質の性質の繰り込み方を理解する。
  • 第5章 導体・誘電体・静電容量(5.6から5.11)(2回)
    内容:保存性の場、ガウスの定理より異なる誘電媒質間の境界条件を定式化し、境界での電界の屈折について説明する。また、これら応用としてさまざまな静電容量の求め方を講義する。
    到達目標:電界が屈折する本質を理解する。誘電媒質を挿んだコンデンサーの静電容量を計算できるようになるとともに、影像法と組み合わせたより興味あるケースについても問題を解けるようになる。

授業の進行と休講情報

4月 13日・20日・27日
5月 11日・18日・25日
6月 1日・8日(補講または定期試験)

試験情報

定期試験日程

未定

試験の持ち込み

成績評価方法

成績は定期テストを100点満点で評価する。その内訳は、試験に持ち込みを許可している指定用紙に要点を整理したメモの記述内容(10点)とテスト解答(90点)で評価する。

半導体電子工学Ⅰ

講義の概要

トランジスタを中心とする超高密度集積回路や半導体レーザを中心とする光情報通信システムは近年飛躍的な発展を遂げ,高度な情報化社会を支える基盤技術となっている.半導体電子工学IおよびIIでは,今日のエレクトロニクスの中心的役割を果たしている半導体について,その電気的ならびに光学的諸性質を学ぶとともに,それを応用した電子デバイスや光デバイスの動作特性を学習する.半導体電子工学Iでは,特に,半導体デバイスの動作原理を理解するために必要な半導体物理の基礎的事項を学び,その後pn接合やトランジスタなどの電子デバイスの動作原理を学ぶ.

Introduction to semiconductor physics: fundamentals and device application.You will understand the physical processes responsible for the electronic properties of semiconductor materials and devices.

到達目標

半導体中のミクロな電子波の伝搬・散乱現象をマクロな古典粒子モデルにより表現する方法を理解するとともに,電子デバイスの動作原理を理解する.

開講日時

火曜4時限(15:10-16:40) 、LR401教室

講義の対象

電気電子工学科3年生及び再履修学生

教科書

「太陽電池のエネルギー変換効率」(第2刷)
喜多 隆
コロナ社、ISBN:978-4-339-00842-5
http://www.coronasha.co.jp/np/isbn/9784339008425/

参考書

「半導体デバイスの基礎 上 および下」
B.Lアンダーソン、R.L.アンダーソン
丸善出版、ISBN:4431100288

シラバス

(1)はじめに
  1. 半導体電子工学の概要と本講義の目標
(2)半導体の内部の電子状態

半導体結晶中の電子波の伝搬の様子を表す半導体のバンド構造について学び,電子の速度,有効質量,状態密度などの概念やバンド構造と半導体物性との関係を学習する.

  1. 水素原子の電子軌道
  2. 電子の運動と共有結合
  3. 共有結合とバンド形成
  4. 自由電子の運動
(3)半導体中の熱平衡キャリア密度

電子統計を学習し,真性半導体や不純物半導体中のキャリア密度を求める.

  1. 真性半導体、外因性半導体(不純物半導体)
  2. 電子と正孔のエネルギー分布
  3. 質量作用の法則とキャリア密度
  4. 不純物ドープによるフェルミレベルの変化
(4)半導体の輸送現象

半導体中のキャリアの運動を記述するドリフト・拡散モデルについて学ぶ.

  1. ドリフト電流;移動度
  2. 拡散電流;キャリアの拡散
(5)pn接合

pn接合は半導体デバイスの基本構造である.pn接合のエネルギー準位図,整流特性,逆方向降伏特性,接合容量などについて学習する.

  1. 拡散電位
  2. ポアソン方程式
  3. 電流の流れる仕組み
  4. 電流電圧特性

授業の進行と休講情報

4月 11日・18日・25日
5月 2日・9日・16日・23日・30日(予備日)
6月 6日・13日・20日・27日(休講)
7月 4日・11日・18日(休講)・25日(補講または定期試験)
8月 1日(補講または定期試験)

試験情報

定期試験日程

未定

試験の持ち込み

成績評価方法

成績は定期テスト(100点満点)で評価する。その内訳は、持ち込みを許可している指定用紙に要点を整理したメモの記述内容(10点)とテスト解答(90点)で評価する。

授業スライドのダウンロード

授業で使用した補足スライドがダウンロードできます。教科書を補足したポイントを整理してまとめましたので、授業内容の整理、復習に利用してください。

半導体電子工学Ⅰその1
半導体電子工学Ⅰその2
半導体電子工学Ⅰその3
半導体電子工学Ⅰその4
半導体電子工学Ⅰその5

固体物性特論Ⅱ Solid State Physics Ⅱ

Outline

The thema is solid state physics presented along with atomic scale structure and electronic interactions, whose perspective is broadened by an expanded emphasis toward optical properties in solids.You will understand the electronic states and fundamental optical properties of atoms, molecules, and crystals.

原子スケールの構造と電子状態に基づいた固体物理を講義し、固体の光物性にまで視野を広げる。原子、分子、固体結晶の電子状態と光学応答的の基礎を理解することを目標にする。

Schedule

Wednesday: First class (8:50-10:20)and Second class (10:40-12:10)

Lecture Room

LR403

Study-Aid Book

Fundamentals of Semiconductors, P. Y. Yu and M. Cardona (Springer)
Optical Properties of Solids, Mark Fox (Oxford)

Syllabus

English:

Unit 1 Outline of solid state physics (1 lecture)

Unit 2 Crystal bonds and structures (1 lectures)

Unit 3 Electronic coupling and band-gap formation (2 lectures)

Unit 4 sp-bonding states and energy band structure of semiconductors (3 lectures)

Unit 5 Electronic states and density of states in solids (4 lectures)

Unit 6 Dipole oscillator strength in atoms and fundamental optical properties in solids (4 lectures)

Practice problems will be provided in every lectures.

Japanese:

Unit 1

1.固体物性特論講義のアウトライン

Unit 2

2.結晶の多様性と結合形態

単結晶(イオン結晶、共有結合結晶、金属結晶、分子結晶、水素結合結晶)、多結晶、非晶質を紹介する。

Unit 3

3.原子の電子軌道と固体の成り立ち

原子間の結合力とバンド形成を明らかにする。

4.固体におけるバンド形成

1次元仮想水素原子固体におけるフロンティア軌道を導し、特徴を明らかにする。

Unit 4

5.共有結合結晶

sp, sp2, sp3結合について詳説する。

6.化合物半導体

共有結合性とイオン結合性を有する化合物半導体の特徴を明らかにする。

7.金属、半導体、絶縁体の違い

固体の物性を決める決定的な要因を明らかにする。

Unit 5

8.固体中で電子のふるまい;疑似自由電子近似

固体を形成する原子の周期構造によってバンドが形成されることを明らかにする。

9.状態密度

固体中で電子の取りうる状態密度を導く

10.結合状態密度と光物性

光吸収は放出スペクトルに直接関係する結合状態密度を明らかにする。

11.低次元構造の状態密度

量子井戸、量子細線、量子ドットの状態密度を導き、3次元バルク結晶の状態密度と比較しながらナノ構造物質の物性を明らかにする。

Unit 6

12.光と原子の相互作用;双極子遷移

双極子遷移について詳説し、時間と空間の役割を明らかにする。

13.光と原子の相互作用;光の吸収と放射

半導体の光吸収係数導く。

14.固体における光物性

半導体における光物性とその応用例について紹介する。

15.発展学習

具体的な例として話題のトピックを取り上げ講義する。

Evaluation

Attendance at all seminars is crucial. Your grade will be determined by how many points you earn in Exams.

フォトニック材料学Ⅱ Photonic Material Ⅱ

Outline

Materials synthesized by controlling substances in an atomically controlled manner create new properties and awesome nature, and the interface effects and quantum effects controlled by nano-scale hetero-structures produce unique, novel functions. This course provides fundamental science and engineering for creating novel materials which can be used in highly functional devices.

物質を原子・分子のレベルで精密に制御して合成した材料は新しい物性を発現し、ヘテロナノ構造による界面効果や量子効果は従来にはみられない特異な機能を創出する。本講義では、高機能デバイスで利用できる新規な材料の創製に必要な基礎知識の習得することを目的とする。

Syllabus

  • Epitaxial growth and nanostructures エピタキシャル成長とナノ構造
  • High-conversion efficiency photovoltaics 高効率太陽光発電
  • Rare-earth containing materials 希土類添加物質
  • Impurity doped materials for quantum devices 量子デバイスのための不純物添加物質
  • Light transmitter and processing devices 発光デバイスと光プロセッシングデバイス
  • Hydrgen generation and next generation battery 水素合成と次世代電池

Evaluation

Attendance at all seminars is crucial. Your grade will be determined by how many points you earn in Exams.

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