電気電子材料 電気電子工学科　２年次 鮫島俊之、飯村靖文.

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1 電気電子材料 電気電子工学科　２年次 鮫島俊之、飯村靖文

2 Introduction 1．講義ノートはホームページからダウンロードする
　１） 　２）講義ノートのメニューバーをクリック 　３）2014年電気電子材料 (2年次前期)のコーナーの電気電子材料 (ppt) をクリック

3 Introduction ２．概要・目標 エレクトロニクス機器を構成する多くの材料の知識特徴を習得することを目標とする。単元素材料のみならず数多く開発されている化合物材料の特性を系統的に学ぶ

4 Introduction ３．授業内容 教員の講義のみならず学生自身の参加型授業を行う。
学生独自の材料調査を行いレポートとプレゼンテーションを行う。 ４．必修科目 ５．成績評価：レポート、発表

5 MOTIVATION i-phoneの表面をヒュっとこすると画面がスクロールするのはなんでだろう？一見普通のガラス板だがどんな材料が使われているんだろう？ ＵＳＢメモリーってなんだろう？どんな構造だろう？ 原子力発電所はどうなっているんだろう？どんな材料がつかわれているのだろう？ヨウ素１３１ってなんだろう？ レアメタルってレアなのになぜ良く耳にするんだろう？ なぜ必要なんだろう？

6 MOTIVATION 電気電子機器には実にさまざまな材料が利用されている。 それらは単体元素であり、化合物である。
それらは主たる構成物質であり、添加物である。 そして最良最適の材料の開発の歴史がある。

7 MOTIVATION 電気電子機器に強くなるために材料に強くなろう。 世の中にはどんな材料があるのかを勉強しよう。
そして将来の技術開発の知恵知識を身につけよう。

8 授 業 内 容 ・周期律表のさまざまな元素を解説する。 ・絶縁体、金属、有機物、半導体の特徴について 解説する。
授　業　内　容 ・周期律表のさまざまな元素を解説する。 ・絶縁体、金属、有機物、半導体の特徴について 　解説する。 ・宿題を課す。→各自レポート提出。 ・グループを組み材料探査調査を行う。 ・調査した材料のレポートを作成する。 ・調査内容を発表する。

9 授 業 内 容 回月日 内 容 講師 １回4/10 イントロダクション 鮫島・飯村 及び周期律表の元素の解説
授　業　内　容 回月日　　　　　　内　　　　容　　　　　　　　　　講師 １回4/10　　　イントロダクション　　 　　　　　　鮫島・飯村 　　　　　　　 及び周期律表の元素の解説 2回4/17 　　　周期律表の元素の解説　　　　 鮫島　 3回4/24 　　　絶縁体についての解説 飯村 ４回5/1 　 金属体についての解説　 飯村 5回5/8　 半導体についての解説　　　　　 鮫島 6回5/15 　　 有機物体についての解説　　　 飯村 7回5/22　　 半導体についての解説　　 鮫島

10 授 業 内 容 8回5/29 学生の材料調査 飯村（鮫島）&TA 9回6/5 有機物体についての解説 飯村
授　業　内　容 8回5/29 　　　 学生の材料調査　　　　　　　飯村（鮫島）&TA 9回6/5　 有機物体についての解説　　　 飯村 10回6/ 学生の材料調査　　　　　　　鮫島（飯村）&TA 11回6/19 　　磁性体についての解説　　　　　清水大 12回6/26　　学生の材料調査　　　　　　　　飯村（鮫島）&TA 13回7/3 学生の材料調査結果発表会　　飯村・鮫島&TA 14回7/10 学生の材料調査結果発表会　　飯村・鮫島&TA 15回7/17 学生の材料調査結果発表会　　飯村・鮫島&TA

11 学生諸君材料探査調査 電気電子材料事典 ・身近なデバイスに使われている材料を調査する。
・どのような材料、材料のどのような作用が利用されているか解説する。図面データ付。 ・構造・特性：構造的特徴、主な重要な諸特性を詳しく分かりやすく解説する。図面データ付。 ・歴史：当該材料がいかにして発見あるいは開発されたかを調査し解説する。 ・分量に制限無し 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科

12 学生諸君材料探査調査 電気電子材料事典 ・5人程度のＧｐでの調査 ・先輩学生諸君がチューターを務める。 ・期間：5月29日～6月30日
・１Ｇｐ15個の材料調査を目標とする。 ・指定のフォーマットにまとめる。 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科

13 調査対象材料群 IV半導体、II-VI化合物半導体、III-V化合物半導体
絶縁体（半導体デバイス用（誘電体））,絶縁体（電力用）、絶縁体（光学デバイス用） アルカリ金属、アルカリ土類、遷移金属、レアメタル、 磁性体、強誘電体、超伝導体 有機物

14 元素の周期表 L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 H
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am

15 元素の周期表の歴史 19世紀中頃までにすでに多数の化学元素が発見されていた． 当然疑問が起こった
これらの元素は何か相互に関連があるのだろうか？ それともそれらがもっている性質は全く偶然的なものであり， 相互に関係はないのだろうか？ 部分的法則性は早くから発見されていた D.I.メンデレエフに至ってはじめて，あらゆる元素を単一の体系に結び付ける一般的な法則の確立がなされた。

16 元素の周期表 D.I.メンデレエフ元素の体系の基本的な事実：
元素を原子量の増していく順序にならべると類似の性質をもった元素が周期的にあらわれる。 そして著しい事実 平均的原子量と原子番号とのあいだには簡単な単調増加の関係がある。

17 元素の周期表の特徴 L A ！第1行目はたった2つの元素から成っている．それは1価の元素の水素で始まり，稀ガスのヘリウムで終る． 1 2 3
4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am

18 元素の周期表の特徴 L A ！3番の元素－リチウム－は再び1価である．それは典型的な金属であり，きわだった塩基性をもっている．
！右の方へ行くにつれてこれら2つの性質は著しく弱くなり，しだいに反対の性質があらわれてくる． ！最後に9番の元素－弗素－はリチウムと正反対である．それは典型的な非金属であり，きわだった酸性をもっている． ！それから稀ガスのネオンが続く L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra

19 元素の周期表の特徴 L A ！そのあとにアルカリ金属のナトリウム（11番）がくる． ！そしてすぐ前の周期のすべての様相が繰り返され，
！8つの元素（ナトリウムも含めて）を経て再びアルカリ金属 のカリウムに出会う． ！これの1つ前は稀ガスのアルゴン（18番）である． ！典型的な金属から典型的な非金属への移行は，－珪素（14番）－を経て行なわれる．この元素は金属的および非金属的形態を呈する． L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra

20 元素の周期表の特徴 L A ！その次の，第4の，カリウムで始まる周期は，今度は8つではなく18の元素で完結する．
！カリウムの次のアルカリ金属－ルビジウム－は37番目の場所にある． ！ルビジウムのあとには，やはり18の元素から成り，54番，稀ガスのキセノンで終る新たな周期が続く． L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra

21 元素の周期表の特徴 L A ！その次にまたアルカリ金属のセシウム（55番）がくる。
これは32の元素を含む最も長い周期の始まりをなすものである． ！これらの32の元素の中で，ランタンに続く58番から71番までの14元素は特殊な組を形作っている． ！これらの元素は希土類あるいは「ランタニド」とよばれるものであって，極めて近い化学的性質をもっている。 ！化学的性質の近縁性のゆえに，それらに対しては周期表の1こまが与えられ，そしてその1組全体が別個にかかげられている． L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am

22 元素の周期表の特徴 L A ！87番の元素で始まる最後の周期は，不安定な自然放射性元素から成っている．
！自然界で出会う元素の中で最も重い元素－ウラン（92番）－は最近まで周期系の最後の元素でもあった． ！しかし近年，より重い元素－「超ウラン」元素が人工的につくられるようになった． ！それらの元素の化学的性質の研究と，それらより前の方にある諸元素の化学的性質の再検討の結果，希土類金属－「ラタンニド」－の組に類似の，化学的性質の近い元素―「アクチニド」―の組をなす． L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am

23 元素の周期表 L A アルカリ金属 ハロゲン 半金属 半導体 遷移金属 希ガス アルカリ土類金属 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am アルカリ金属 ハロゲン 半金属 　　半導体 遷移金属 希ガス アルカリ土類金属

24 元素の周期表 L A アルカリ金属 アルカリ土類金属 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am アルカリ金属 アルカリ土類金属

25 元素の周期表 Alkaline and earth Alkaline earth metals：
The elements of the first column, not counting hydrogen, are called the alkali metals, and they are all fun to throw into a lake. Alkali metals react with water to release hydrogen gas, which is highly flammable. When you throw a large enough lump of sodium into a lake, the result is a huge explosion a few seconds later. Chemistry is a bit like that: powerful enough to do great things in the world, but also dangerous enough to do terrible things just as easily. The elements of the second column are called the alkali earth metals. Like the alkali metals, these are relatively soft metals that react with water to liberate hydrogen gas. But where the alkali metals react explosively, the alkali earths are tamer-they react slowly enough that the hydrogen does not spontaneously ignite, allowing calcium(20), for example, to be used in portable hydrogen generators.

26 元素の周期表 アルカリ金属(alkali metals)： ・第1族元素のうち水素を除いた元素。 ・単体では最外殻s軌道を１電子が占める。
・イオン化エネルギー小さい。重たい元素ほど小さい。 ・周期が大きいほど金属性強い ・空気中の酸素と激しく反応して酸化物M2Oを形成する。 ・イオン型水素化物ＭＨを形成する。 ・ハロゲン化物を形成する。

27 元素の周期表 アルカリ土類金属 (alkaline earth metals)：
・周期表の第2族に属する典型元素でのうち、カルシウム・ストロンチウム・バリウム・ラジウム ・核電荷が同一周期の1族元素より大きい為、アルカリ金属よりも原子間の結合が強く、単体の融点はアルカリ金属よりも高い。 ・1族元素よりもイオン半径が小さい。それ故、2族元素塩の結晶格子は小さい。 ・結合は強く結びついており、1族元素塩に比べ2族元素塩の溶解性は小さい

28 元素の周期表 L A 遷移金属 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am 遷移金属

29 元素の周期表 Transition metals：THE WIDE CENTRAL block of the periodic table is known as the transition metals. These are the workhorse metals of industry. All the transition metals are fairly hard, structurally sound metals. Even technetium (43), the lone radioactive element in this block, is a sturdy metal. The transition metals as a whole are relatively stable in air, but some do oxidize slowly. The most notable example is iron(26), whose tendency to rust is by far our most destructive unwanted chemical reaction. Others, such as gold (79) and platinum (78), are prized for their extreme resistance to corrosion. The two empty spots in the lower left corner are reserved for the lanthanide and actinide series of elements. According to the logic of the periodic table, a fourteen-element-wide gap should appear between the second and third columns, with the elements of the lanthanide and actinide groups inserted in that gap. But because this would make the periodic table impractically wide, the convention is to close up that gap and display the rare earths in two rows at the bottom.

30 元素の周期表 遷移金属(transition metals):
d軌道あるいはf軌道が閉殻になっていない。そして原子番号の増加によって変化するのは主に、d軌道ないしはf軌道電子である.これらはより主量子数が大きいs軌道、p軌道の内側にも外側にも分布する。d軌道ないしはf軌道電子が, より主量子数の大きいs軌道の外側にも分布するということは、そのs軌道電子に対する核電荷遮蔽の効果が弱いことを意味している。d軌道ないしはf軌道の外部にも広く分布する電子が多数存在するという性質は、金属結合に関与しうる電子が多いということも意味する。その多数の電子が結合力を増大させるため、遷移金属では典型元素金属に比べて融点が高いものが多く、とりうる酸化数も多数存在することになる。

31 元素の周期表 遷移金属(transition metals):
内殻のd軌道に安定な電子対を持つことが可能なため、遷移金属の多くは常磁性である。そして複数の酸化数をとることが容易である。またd軌道はさまざまな配位子と結合して、同じ元素でも多様な錯体を形成する。遷移元素は単体では良導体であるが、酸化物になると配位数や格子間距離などに応じて、様々な電気的特性を示す。遷移元素において安定な不対電子が存在しやすい性質は、磁性を持つ。すなわち、遷移金属では不対電子を持つ単体やイオンが安定である為に典型元素に比べて磁気的性質を発現するものがある。また電子配置の面だけでなく、結晶構造や錯体構造も密接に関連して遷移金属化合物は多様な磁気的性質を発現する。

32 元素の周期表 L A 半金属 半導体 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am 半金属 　　半導体

33 元素の周期表 Ordinary metals and nonmetals:
There are ordinary metals, though in reality most of the metals that people think of as ordinary are in fact transition metals in the previous group. By now you may have noticed that the great majority of elements are metals. The upper right triangle is known as the nonmetals. The nonmetals are electrical insulators. Between the metals and nonmetals is a diagonal line of fence-sitters known as the metalloids. The metalloids include the semiconductors that have become so important to modern life. The elements in a given vertical column share common characteristics. Well, it’s only a general rule-chemistry. In the case of the metal-to-nonmetal boundary, several factors compete with each other to determine whether an element falls into one camp or the other, and the balance drifts toward the right as you move down the table.

34 元素の周期表 L A ハロゲン 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am ハロゲン

35 元素の周期表 Halogens: All the elements of this column are highly reactive, violently smelly substances. Pure fluorine (9) is legendary for its ability to attack nearly anything; chlorine (17) was used as a poison gas in World War I. But in the form of compounds such as fluoridated toothpaste and table salt (sodium chloride), the halogens are tamed for domestic use.

36 元素の周期表 ハロゲン (halogen):
第17族に属する元素の総称。フッ素・塩素・臭素・ヨウ素・アスタチンフッ素、塩素、臭素、ヨウ素は性質がよく似ており、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属と典型的な塩を形成する。 原子番号が若いものは非常に反応性に富む。 フッ素は第一イオン化エネルギーが大きく、最も強い酸化剤。 地殻中の存在比ではフッ素>塩素>臭素>ヨウ素 アスタチンは放射性物質であり、半減期短く、自然環境中にはほとんど存在しない。 ハロゲン化水素HF,HCl,HBr,HIを作る。 HFは水素結合を形成する極性物質

37 元素の周期表 L A 希ガス 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am 希ガス

38 元素の周期表 Noble gases: Noble is used here in the sense of “above the business of the common riffraff.” Noble gases almost never form compounds with each other or with any other elements. Because they are so inert, the noble gases are often used to shield reactive elements, since under a blanket of noble gas there’s nothing for the reactive element to react with. If you buy sodium from a chemical supplier, it will come in a sealed container filled with argon (18).

39 元素の周期表 希ガス (noble gases)： ・長周期表第18族の、ヘリウム・ネオン・アルゴン・クリプトン・キセノン・ラドン
・原子における最外殻電子が閉殻となっているため、化学的に非常に不活性。よって不活性ガス (inert gas) とも呼ばれる。 ・ヘリウムを除いて、常圧かつ凝固点以下で弱いファンデルワールス結合による結晶（単原子分子による分子性結晶）を形成する。 ・化合物は XeF2 、KrF2、XeCl2,不安定→レーザ

40 電気電子材料元素資料集（エクセルファイル）
元素の周期表資料 電気電子材料元素資料集（エクセルファイル） 講義ノート/2013年電気電子材料コーナーからダウンロードする 以下の各シートから構成される。 　　Index 　　用語集 　　出典 　　元素表 　　グラフ描画ツールシート

41 電気電子材料元素資料集/用語集 元素の特徴を表す物理量、状態の解説集である。 38個の用語解説がある。 ヤング率 ポアソン比
弾性率の一種で、伸び弾性率ともいう。一様な太さの棒の一端を固定し、多端を軸方向に引く（または押す）場合、棒の断面にはたらく応力をT、単位長さあたりの伸び（または縮み）をεとすれば、比例限界内でT=Eεという関係が成り立つ。このように伸び変形で応力Tとひずみεとの間に比例関係が成り立つとき、比例定数E=T/εをヤング率という。Pa、N/m2で表示される。物質特有の定数である。1807年ヤングによって導入された。 ポアソン比 一様な太さの棒の両端に力を加えて引き伸ばす（または押し縮める）と、横の方向には逆に縮む（または伸びる）。棒の軸方向の単位長さあたりの伸びをα、横方向の単位長さあたりの縮みをβとするとき、σ＝β/αは弾性の比例限界内で物質特有の定数である。これをポアソン比という。

42 電気電子材料元素資料集/出典 本資料集作成のために用いた文献を掲載する。 1. 元素大百科事典 監訳者：渡辺 正 朝倉書店 第2刷
1.　元素大百科事典 監訳者：渡辺　正 朝倉書店　第2刷 ISBN　 5～52章 他３件

43 電気電子材料元素資料集/元素表 原子番号１から１１１までの元素のデータを掲載した 記号 発見年 年 発見者（単離者) 原子番号 単体の性質
単体の価格 (chemicool)$/100g 荷電子配置 原子量 (IUPAC 2009) 原子半径 (m) イオン半径 (m)(+) イオン半径 (m)(-) 共有結合半径 (m) 電気陰性度 密度 （ｇ/L)（気体0℃) 融点 (℃) 沸点 (℃) 存在比 (ppm) 地殻 海水 天然に存在する同位体と存在比-1 天然に存在する同位体と存在比-2 宇宙の相対原子数 (Si=106) 宇宙での質量比 (ppb) 太陽の相対原子数 (Si=106) 土壌 大気中含量(ppm) 体内存在量 (成人70kg) (g) 空気中での安定性 水との反応性 他の気体との反応性 酸、アルカリ水溶液などとの反応性 酸化物 塩化物 硫化物 酸化数 ヤング率(Pa) ずれ弾性率(Pa) ポアソン比 体積弾性率(Pa) モル熱容量（J・K-1・mol-1）298.15K 膨張率293K" 熱伝導率（W・m-1・K-1)0℃ 音速度(m･s-1)0℃,1atm 屈折率波長589.3nm 電気抵抗(Ω･m)0℃ 臨界温度(K) 臨界磁場(Oe) 禁止帯の幅(eV)0K 電子移動度(10-4m2･V-1･s-1)300K 正孔移動度(10-4m2･V-1･s-1)300K 圧電率(10-12C･N-1) 表面抵抗(Ω)湿度50～60% 絶縁破壊の強さ(106V･m-1) 磁化率(20℃)

44 電気電子材料元素資料集/グラフ描画ツール
マクロプログラムにより、元素表データ間のグラフ作成

45 原子番号と原子量 (IUPAC 2009)の比較

46 原子番号と原子半径 (m)の比較

47 原子番号と電気陰性度-Pauling-の比較
F Ｃｌ O

48 水素結合 １）酸素原子は最外Ｌ殻2ｐ軌道に電子を４個持つ。H20分子になると、酸素原子は水素の電子２個を取り入れてＬ殻6個の安定構造を作ろうとする。 ２）酸素は水素の電子により負に帯電し、水素は電子を取られて正に帯電する。もともとあった酸素の４つの電子は新たに水素の電子が取り込まれたために、電気的反発作用が生じて正四面体電子ボンディング構造を形成する。 孤立電子対、負に帯電 O H H　正に帯電

49 水素結合もイオン結合 ３）反発して反対方向にいる孤立電子は、隣のH20分子の正に帯電した水素原子と引き合う。こうして不思議な連帯が出来上がる。 H20分子同士は強い電気力で引き合っている。従って外から熱エネルギーを与えてもなかなか自由に動けない。 ４）だから、比熱が大きい、沸点高い、凝固点高い。さらにO-H共有結合と水素結合により水は隙間の多い構造になる。 十分な熱エネルギーが与えられたとき初めて隙間が潰れて最大密度となる。有名な４℃現象である。 O H - + 水素結合 4℃ 体積 温度 温度による 膨張 水素結合に よる隙間形成

50 原子番号と単体の価格 (chemicool)$/100gの比較

51 地殻中の存在比(ppm)と単体の価格 (chemicool)$/100gの比較

52 原子番号と密度 （ｇ/L)（気体0℃)の比較
?

53 原子番号と融点 (℃)の比較

54 原子番号と沸点 (℃)の比較

55 融点 (℃)と沸点 (℃)の比較

56 原子番号と電気抵抗(Ω･m)0℃の比較

57 電子配置 ・元素は原子核と電子からなる。 ・原子核は陽子と中性子からなる。 ・陽子は＋電荷、 ・中性子は中性、 ・電子は－電荷である。
・電子と陽子は同じ数である。 ・よって原子は中性である。 ・原子核は小さく、その周りに、 非常に強い電気引力を電子に及ぼす。 ・電子は原子核のポテンシャルの中で 分布する。

58 電子配置 ・電子は同じ状態を只一つしか 占める事ができない性質をもつ。 （光はいくつも占められる） ・電子はそのエネルギーにより
Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎと違う状態になり ・その角運動量により、 s, p, d, fと違う状態を持つ。 （エネルギーと角運動量は 1年力学で勉強した量に似た ものである） ・電子はスピン自由度2を持つので 上記状態を2個占めて安定となる。

59 電子配置 ・元素の化学的性質は最外殻の 電子の状態によって決まる。 ・d, f電子は角運動量が大きく 異方的空間分布により、
部分的により外側の殻のs電子 よりも外にはみ出す。 よって最外殻の電子数が多く なることがある。そして様々な 化学的性質を発現する。 遷移金属は元素である。

60 元素の周期表 L A 遷移金属 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am 遷移金属

61 遷移金属４周期目

62 元素の周期表 L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 H
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am

63 レアメタル 平成１８年、資源エネルギー庁公開資料より
レアメタル：地球上にもともと存在量の少ない金属や、量は多くても経済的技術的に純粋なものを取り出すことが難しい金属の総称 レアメタルは３１種類あり（希土類は１種類とカウントする）、他の元素と合金を作ってさまざまな性能機能を発揮する材料が作られる

64 レアメタル L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 H
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am

65 レアメタル インジウム リチウム コバルト コバルト ネオジウム プラチナ 液晶デジタルTVの表示パネル 携帯電話、ＥＶ、ＰＣなどの２次電池
ＰＳＰ、ＰＣ、ＤＶＤ内蔵の小型モーター 携帯電話、ＥＶ、ＰＣなどの２次電池 インジウム コバルト ネオジウム リチウム プラチナ コバルト

66 レアメタル

67 レアメタル

68 レアメタル

69 レアメタル

70 レアメタル

71 レアメタル

72 最も安定な元素は？ 核分裂 核融合

73 原子力発電 ・ウランを燃やし（核分裂をさせる）熱エネルギーを取り出す ・その熱で水を水蒸気化させる
・水蒸気によって蒸気タービンを回して発電する ・蒸気を海水で冷やし再利用する

74 核分裂反応 ウランの代表的な核分裂反応 右辺の質量は左辺より軽い →減った質量は光エネルギーとなる。E=mC2
→光は物質に吸収されて熱に代わる。 1gのウラン235から8.2×1010Jのエネルギーが得られる。 問　 1gのウラン235の核分裂反応を用いて、何トンの水を0℃から100℃まで加熱できるか？水の熱容量は4.2J/gK 　　　195トン 中性子

75 原子力発電に使われる材料 しかしウラン235は少ない。 天然ウランに0.72%、
よって原子炉で使用するために濃縮過程を経てウラン235濃度を3% - 5%に高める。これを核燃料という。 核燃料棒の被覆にはジルコニウムが用いられる さまざまな核分裂生成物ができる セシウム133、ヨウ素135、キセノン135、ジルコニウム93、セシウム137、テクネチウム99、ストロンチウム90、ヨウ素131、プロメチウム147、サマリウム149、ヨウ素129 　青は安定、セシウム137は半減期30.2Ｙ

76 原子力発電に使われる材料 原子炉：核分裂反応を暴発することなく制御し、かつ反応を持続させるための装置。 ・中性子エネルギー制御のための減速材
　黒鉛、重水、軽水 ・原子炉から熱を取り出す冷却材 　炭酸ガスや窒素ガス、重水、軽水 ・軽水炉（加圧水型原子炉 - 沸騰水型原子炉） ・重水炉 ・黒鉛炉 ・高速増殖炉　Ｎａ 福島原発

77 大変気になる事 発電：タービンを回す蒸気温度と圧力 原子力発電所では約284度、6.8MPa 石炭火力発電所では約600度、25MPa
原子力発電所蒸気が低温度、低圧力の理由： 核燃料棒の被覆に使われているジルコニウムが高温に耐えられないため。 原子力発電における熱効率は約30% ＜火力発電所の熱効率は約47%程度

78 May 8th T. Sameshima 11回6/19 磁性体についての解説 清水大
11回6/19 　　磁性体についての解説　　　　　清水大 13回7/3 学生の材料調査結果発表会　　飯村・鮫島&TA教室変更→L0031

79 May 8th T. Sameshima Introduction of material investigation
Millikan’s experimental demonstration of the elemental charge of electron 2. Introduction of semiconductors light emitting devices-laser diode

80 アルゴン 基本データ 滋野聖 元素記号 Ar 原子番号 18 原子量 39.95 融点 -189℃ 沸点 -186℃
アルゴン　基本データ 滋野聖 元素記号 Ar 原子番号　18 原子量　39.95 融点　-189℃ 沸点　-186℃ 気体の密度　1.784 g/L （標準状態） 無色無臭の気体 大気中で3番目に多い　 化学的に不活性 参考:

81 アルゴン 電気的用途 電気的用途 ICPプラズマのガス 電球中に封入 アルゴンイオンレーザー
アルゴン　電気的用途 8181 電球中に封入、フィラメントが燃えるのを防ぐ。 電気的用途 ICPプラズマのガス 電球中に封入 アルゴンイオンレーザー 参考:

82 ICPプラズマのガス コイルに高周波数の大電流を流して、高電圧と作られた磁界による電界でアルゴンガスをプラズマにする。
アルゴンプラズマを加速させ、半導体表面にぶつけてエッチングを行う。 参考:

83 アルミニウム 基本データ 中村友彦 原子番号13 金属 特徴 軽い 強い 電気をよく通す 加工性が良い 磁気を帯びない
アルミニウム　基本データ　中村友彦 原子番号13　金属 特徴 　軽い 　強い 　電気をよく通す 　加工性が良い 　磁気を帯びない 参考:

84 代表的な用途 架空送電線 自動車のボディ HDDの磁気ディスク基板 半導体基板の電極
参考： 　　　　

85 架空送電線 中心の鋼線の外側にアルミ線をより合わせた鋼心アルミより線が、発電所から都市付近の変電所までの高圧送電線路に使用。
銅よりも軽く、導電性も高いという特徴を生かしている。 参考：

86 電子について勉強しよう 電子の発見： 1.6x10-19 C
　電荷がとびとびの値をとるものだということは，電気分解に関するファラデーFaradayの法則からの帰結として発見された． ファラデーの法則：いろいろな電解質を通して同じだけの電気量を流すと，1価のイオンの溶液において分離される物質の質量は，イオンの原子量に比例する． すなわち，任意の1価のイオンの1グラム原子は，そのイオンが何であるかにかかわらず，同一の電気量を運ぶ．この電気量はファラデー定数とよばれ 　　　　　　　　F=96491 クーロン　に等しい．

87 電子について勉強しよう Helmholtz の言葉　「もしわれわれが元素の原子の存在をみとめるならば，われわれはもう1つの帰結をもさけることはできない．電気は正の電気も負の電気も，一定の要素的な量，電気のアトムとして振舞うもの，に分割されている」． 電気の原子論的な本性の認識において，殊に本質的な役割を演じたのは，気体中の電気の通過の研究であった．なかんづく，稀薄にされた気体中における放電の研究およびそのさいに生ずる陰極線の諸性質の研究は，負の電気のアトムが遊離の状態，すなわち普通の物質原子と結びつかない状態で容易に得られることを示した．そしてこの負の電気のアトムに対して，電子という名称が広く使われるようになった．

88 電子について勉強しよう 2価のイオンの溶液を通して電流を流すと，ファラデー定数だけの電荷が2価のイオンの1/2グラム原子によって運ばれ，また，3価の電解質の場合には1/3グラム原子によって運ばれる． 他方，アヴォガドロ Avogadro の法則によれば，任意の物質の1グラム原子は，いつでも同じ数N個の粒子を含むので，1価のイオンのおのおのによって運ばれる電荷は 　　　　　　　　（１）　に等しい全くきまった大きさをもつであろう． そして般にk価のイオンの運ぶ電荷は 　　　　　　　　（２）　となるだろう。 

89 電子について勉強しよう 電子の電荷の決定 電荷がとびとびの値をとることの直接の証明と．個々の粒子の電荷を見出す方法による電子の電荷の大きさの最初の精密な決定が，1911年にミリカン Milikan によって行なわれた． ついで光の作用で放出される（光電効果）電子の電荷を，ミリカンの方法と似た方法で決定することが，1912年に A. F. ヨッフェ Joffe によって行なわれた．

90 電子について勉強しよう ミリカンの実験方法：極めて小さい油の滴の電荷を直接測定
水平におかれた畜電器の両極のあいだにあるそのような小滴を考えよう． ①畜電器の極板に電圧がかかっていないと，滴は自由に落下するであろう．滴の寸法が小さいために，それは等速で落下する．なぜなら，それの重さmgは空気の抵抗の力とつりあうからである． 空気の抵抗の力は昨年の物理で学んだストークス Stokes の法則によると 　　　　　　　　　　　　　（３） に等しい．ここでvgは落下速度，ηは空気の内部摩擦係数，aは滴の半径である．

91 電子について勉強しよう 重力との釣り合いとの式 （４）
重力との釣り合いとの式 （４） から滴の半径を計算で出すことができる．ここで、滴の物質の密度をσ，空気の密度をρであらわすとしよう．そうすると，空気中を落下 する小球の実効的重さは （５） となるから、力の釣り合いの式は （６） となる。即ち、 （７） が得られる。

92 電子について勉強しよう ②今度は，畜電器の極板に電位差が与えられ， 電場の作用で滴が上昇するようにその電位差
の大きさと向きがえらばれたとしよう．滴は電荷 Ｑが帯電しているとする。この上昇もまた落下 と同じように等速運動であるが，その速度をvE であらわす. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８） ここでEは畜電器の内部の電場の強さである．（４）と（８）から 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９） -V 0V +Q

93 電子について勉強しよう 直接測定にかからない滴の半径aの代わりに，vgを使ってaをあらわした式（７）を入れて （１０） を得る．
畜電器の極板のあいだの空気を電離させる（たとえばX線を使って）ことにより，滴の電荷を変化させることができる． 電場の強さがもとのままだとすると，滴の速度は変化してv’Eになり （１１） が得られる．

94 電子について勉強しよう （１１）と（１０）とを組合わせると （１２）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２） が見出される．帯電条件を変えつつ多数回の実験を行い、電荷量の差を測定する。 （１２）によれば，帯電変更のさいの電荷の大きさの変化は，速度の差vE－vE’ に比例するはずである．もしこの差がある1つの大きさの整数倍であるならば，電荷の変化は連続的にではなく，有限の分量ずつ行なわれると断定することができる．

95 電子について勉強しよう 実際にそうなっていた．
式（１０）は，滴の電荷の絶対値が和 vg＋vE に比例しなくてはならないことを示している．もしこの和が，同一の大きさの整数倍であるならば，それは電荷がつぶつぶな単位から成るものであることを意味する． ミリカンの実験は力学的運動論と電気力学の単純な組み合わせと慎重な実験手法を駆使することにより、電荷がとびとびの値を取る原子論の完全かつ直接的な証明を与えた．

96 ミリカンの実験例 電場内の 上昇時間 電場内の 上昇時間 の逆数 帯電変更 前後の上 昇時間の 逆数の差
帯電変更 の単位の 何倍かを 示す数 帯電変更 の単位の 相対値 落下時間 と上昇時 間の逆数 の和 電荷の単 位の何倍 かを示す 数 電荷の単 位の相対 値 80.708 18 6 +6 22.375 24 7 -7 17 1 +1 79.600 3 +3 34.785 21 * *平均tg=11.880，ここでtgは重力場内の落下時間．

97 半導体について L A 半導体 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B
典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス L A 1 2 3 4 5 6 7 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Co Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Rh Cs Ba Hf Ta W Re Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ir Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Eu Ac Th Pa U Np Pu Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Am 半導体

98 - + E 半導体について ・右図のように中性の原子を考えよう。 ・大きなエネルギーを与えて電離させ よう。負電荷の電子と正電荷のイオン
に分離するだろう。 ・もし電界がかかっていたら、それぞれ電界の方向に逆向きに進むだろう。 電子電流とイオン電流が流れるだろう。 - + E

99 - + E 半導体について ・半導体は固体中で以上のような作用が 起こる物質である。 ・半導体中の電流を担う電荷をキャリヤ
電子 ホール ・半導体は固体中で以上のような作用が 起こる物質である。 ・半導体中の電流を担う電荷をキャリヤ という。電子キャリヤとホールキャリヤがある。 ・半導体にはバンドギャップがある。 バンドギャップ以上エネルギーの光 を当てると光は吸収されて電子と ホールができる。半導体内部に電界が あれば電流が流れる。これを利用した素子がソーラーセル。

100 半導体について ・逆に電子とホールが出会えば光が発生する。これを利用した素子がＬＥＤ,LDである。
・電子とホールの濃度を電界によって変化させて電流の流れを制御する素子がトランジスタである。

101 半導体について ・一般に半導体中の電子は早く動く。 ・速度限界は107cm/sである。 ・だから大電流を流すことができる。
・電流は電気伝導度に比例する。 ・トランジスタは電気伝導度を外部 電界によって変えることができる。 ・だから電流を流したり止めたりスイッチング できる。 ・スイッチングは論理素子、デジタル回路に応用できる。 W x y 0V n+source n+drain Inversion channel Depletion region p-type substrate Vg Vds z Gate oxide L

102 半導体について ・もちろん大電流制御もできる。 電気自動車にはＩＧＢＴという トランジスタが使われている。 ・電子の移動時間は素子サイズを
　小さくすると短くなる ・だから素子サイズを小さくすると高速動作可能。 ・ダウンサイジングが開発されてきた。

103 半導体について ・現在最小サイズ22nm。 ・100GHz動作トランジスタ素子が できている。 ・良い品質の材料を開発することが大切。
・適切な構造の素子を開発すること が大切。 ・トランジスタ素子は全ての電気機器 の動作用電子回路に応用されている。

104 －III-V系発光材料－ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 4 Be ベリリウム 5 B ホウ素 6 C 炭素 7 N 窒素 8 O 酸素 12 Mg
マグネシウム 13 Al アルミニウム 14 Si ケイ素 15 P リン 16 S 硫黄 30 Zn 亜鉛 31 Ga ガリウム 32 Ge ゲルマニウム 33 As ヒ素 34 Se セレン 48 Cd カドミニウム 49 In インジウム 50 Sn スズ 51 Sb アンチモン 52 Te テルル 80 Hg 水銀 81 Tl タリウム 82 Pb 鉛 83 Bi ビスマス 84 Po ポロニウム

105 －III-V系発光材料－ バンドエンジニアリング 波長 (μm) 1.2 1.6 1.4 0.8 0.6 0.4 1.0 Al Ga In
P As Sb エネルギー (eV) 1 0.9 1.5 2 3 GaP 2.26 eV

106 －半導体レーザの構造と特徴-1－ 半導体レーザは１９６１年に発明された n型 p型 － ＋ 順方向バイアスV 光
電子 ホール p-n接合ダイオードの順方向バイアスによる注入励起 拡散電流により接合領域の電子濃度＆ホール濃度増大 伝導帯 価電子帯 電子 ホール EFn EFp 電子ーホール再結合による発光

107 －半導体レーザの構造と特徴-2－ -高効率励起のために- ダブルへテロ構造：n型クラッド層/活性層/p型クラッド層構造
１）ワイドバンドギャップクラッド層：キャリヤ輸送 ２）ナローギャップ活性層：キャリヤ再結合 　　擬フェルミ準位バンド内→反転分布→高効率再結合 ３）活性層/クラッド層バリヤ：キャリヤの漏れ防止 ホール ⊿E hν 電子 クラッド層 p-InP:Zn 活性層GaInAsP n-InP:Se EFp EFn

108 －半導体レーザの構造と特徴-3－ -より高効率励起のために- 量子井戸型活性層 状態密度増大→しきい値低減 二次元 エネルギーE E1 E２
E２ E３ E４ D(E) 三次元 量子井戸型活性層 状態密度増大→しきい値低減 量子井戸型 活性層 クラッド層 クラッド層 EFn EFp

109 －半導体レーザの構造と特徴-4－ 電極 キャップ層 p+-GaInAsP,0.2μm 絶縁膜 クラッド層 2~20μm
p-InP~1.5μm 活性層0.1~0.2μm GaInAsP n-InP,~2μm (クラッド層) 絶縁膜 n-InP基板 2~20μm ~150μm 電流 ~300μm 電極 光出力 量子井戸

110 －半導体レーザの構造と特徴-5－ -光閉じ込め- 活性層中への光閉じ込め効果： 屈折率小 ワイドバンドギャップクラッド層
屈折率小　ワイドバンドギャップクラッド層 屈折率大　ナローギャップ活性層 p-クラッド層 活性層 n-クラッド層 光強度 屈折率 n2 n1 バンド

111 －半導体レーザの構造と特徴-6－ -光共振器- 電極 キャップ層 絶縁膜 2~20μm クラッド層 活性層 電流 光出力 共振器 L
レーザ発振縦モード キャップ層 クラッド層 活性層 絶縁膜 2~20μm 電流 電極 光出力 共振器 L

112 問 題ー１ １．光通信用のレーザの波長は１．３～１．５μmである。右図を参考にどのようなＩＩＩ－Ｖ材料が用いられているか推定せよ。
問　題ー１ 波長 (μm) 1.2 1.6 1.4 0.8 0.6 0.4 1.0 Al Ga In N P As Sb エネルギー (eV) 1 0.9 1.5 2 3 １．光通信用のレーザの波長は１．３～１．５μmである。右図を参考にどのようなＩＩＩ－Ｖ材料が用いられているか推定せよ。 丁度1.5μmの光を出すためには共振長Ｌをいくらにするのが良いか？（Ｌ＞200μm）

113 Spectral Irradiance [Wm-2nm -1]
問　題ー２ ２．右図は太陽光の 強度スペクトルを光 １個のエネルギーで 書いたものである。 太陽光強度は赤道直 下で最大0.1W/cm2 と見積もられる。 効率１００％のソーラー セルができたとして、 １０ｋＷの発電をするためにはセル面積が何ｍ２必要か？ 現在広く使用されているソーラーセルはバンドギャップ1.1eVのシリコンソーラーセルである。シリコンソーラーセルの効率限界は約３０％と言われている。原因を考えよ。 1.5 1.0 0.5 1 2 3 4 5 Energy [eV] Spectral Irradiance [Wm-2nm -1]