半導体結晶とエネルギーバンド （ #半導体 #エネルギーバンド）

「半導体デバイスの基礎」 という教科書の続きで、結晶内の共有結合とエネルギーバンドについての定性的な解説を読む。 まとめると．．．

１．原子がたくさん集まると、共有結合やイオン結合というメカニズムが作用して、結晶ができる。

２．結晶の中では、電子のエネルギーが、一定幅（バンド）に広がって存在するようになる。

３．シリコンのような半導体では、複数のバンドがあるうちの、一番高エネルギーのバンド（価電子帯）が、一原子あたり４個の電子で埋まっていて、その価電子帯の電子が共有結合状態を形成している。

４．通常の温度だと、価電子帯の電子の一部 （総電子数の 10 の -14乗） が、価電子帯よりもさらに高いエネルギーバンド （伝導帯） に跳ね上がる現象が連続的に起きていて、その伝導帯のパワーを持った電子は、共有結合の束縛から解放されて、結晶内を自由に動き回れるようになる。

といった理解をした。 もっとも、電子のエネルギーが決まる原理とか、共有結合の量子論的な説明とか、ろくに分かっていないので、上記の議論は天下り的に受け入れるしかない。 その辺、ちょっと心もとないので、いずれまた勉強し直したいと思う。

総電子数 に対する伝導体の電子数の割合が、10 の -14乗 （ 100 兆分の１） しかないというのは、少し意外だ。　普段、パソコンを使っていると、CPU の中で結構な電流が流れているはずで、それは伝導体の電子が担っているはずだ。 ところが、その個数は、CPU内部の半導体に含まれる電子数を日本の国家予算とすると、たった１円相当の電子ということになる　．．．．本当か？

右図は、走査型トンネル顕微鏡による、シリコン結晶の画像。
電子雲（伝導帯または価電子帯 ）の表面の形が、
トンネル電流の大きさ（陰影）に反映されていると思われる。

半導体デバイスの基礎 （ #半導体 #ボーア模型）

前回、半導体の原理的な理解をしようという、ずいぶん面倒くさい課題を設定したわけだが、とにかく地道に教科書を読むことにする。

「半導体デバイスの基礎」 という ３巻組の本で、相当な量がある。 量があるのは、原理的なことを、かなり事細かに数式の展開も含めて説明しようとしているからで、これは 「理解したい」 という意図で読むには、とても親切でありがたい。

ひとまず、前期量子論の原子モデル（ボーア模型）の説明を読む。 半導体の原理は量子論を基礎としているので、その解説から入っていくらしい。　それにしても道は遠い。

　　　　　　　水素のボーア模型
　　　　

ロボットカーの基礎は半導体 （ #Arduino #半導体）

「ロボットカーがコース上を走る」 という動作を分析すると、次のようなことになっている。

１．車体前方の赤外線 LED（右図）が下向きに発光する。
 
２．黒い板と白いテープの赤外線反射率の違いにより、
　　赤外線センサー（右図）の出力電圧が変化する。
 
３．赤外線センサーの出力電圧に対し、一定のしきい値を基準に
　　High/Low 電圧が Arduino 基板に入力される。

４．Arduino 内部のプログラムにより、センサーからの信号に応じて、モータの制御信号（クロック）波形を変化させる。

５．クロック波形に応じた電流がモータに供給される。
６．電流により、モータが回転する。

この開発キットの場合、上記 1～3 および 5～6 の機能は、既に作りこまれているので、ユーザ自身が考えて手を加えるのは 4 のプログラム部分である。　Arduino は誰でも使える、というのが売りなので、これはこれで良い。

ただ、今後の方針なのだが、ハードウェア部分、それも最も基本的な CPU など半導体そのものについて知識を深めたいと考えている。 システムを作りこむ作業ではなく、書籍ベースで半導体の原理的な理解を積み重ねる、という地道な作業を行うことになる。 果たして挫折せずに続けて行けるか、少々心もとないが、以前から一度は取り組んで見るつもりだったので、これから何とか頑張ってみたい。