【大レポ】電子材料基礎③　

初めに

三回目の電子材料基礎のレポートを掲載します。

注意

図を手書きで書いたので読みにくいです

レポート

pn接合ダイオードの整流理論とp型，n型半導体の示す性質について述べて、発光ダイオードにおいて光が放出されることを説明しなさい。また，可視光領域における高輝度発光を得るために必要となる材料の条件について詳しく述べなさい。

ケイ素自身は、価電子が4つであるので、原子と原子の間では、電荷中性条件が満たされている。この状態のケイ素にホウ素を加えた時、ケイ素の価電子が4個、ホウ素の価電子が3個であることから、ケイ素が、価電子4個と結合したいのに、ホウ素の価電子が3個しかないので1つ電子の空きができる。それが正孔である。その穴に、周りにある電子が入り込むということが連続して起こる。これによって、正孔が、結晶内を自由に動くことができるようになった。このことが起きる半導体をp型半導体という。p型の時と同じように、ケイ素にリンを加えると、ケイ素の価電子が4個、リンの価電子が5個であることから、リンの4個の価電子が結合することがわかる。しかし、リンの価電子が一つ余る。その電子の静電気引力は、共有結合している電子の束縛と比べて十分に小さいので外から供給されるエネルギーによって自由電子となる。このことが起きる半導体が、ｎ型半導体である。このp型半導体には、正孔が、n型半導体には、電子が多く存在するという性質を持つ。次に、図１にpn接合のエネルギーバンド構造の図を示す。

pn接合ダイオードの整流理論をエネルギーバンド構造で説明する。p型には、正孔、n型には、電子というキャリアを持っているため、電気抵抗は低い。一方、pn接合した時に生まれた空乏層には、キャリアが存在していないので、電気抵抗が高い。このことから、低抵抗2個と高抵抗が、直列に接続されていると考えられる。抵抗R１，R2に電圧を印加すると、仮定する。この時のR1とR2の電圧をV1,V2とする。計算すると、

そうすると、各電圧は、R1の抵抗よりもR2の抵抗の方が、はるかに大きい時には、V1＝0，V2＝Vとなる。このことから、空乏層の抵抗にすべての電圧がかかり、空乏層がとても影響を受けてしまうということがわかる。p型を正として、電圧をかけるとする。そうすると、図6のp型の領域の位置が、下がる。このことによって、図6に書いてある、傾きの高さであるエネルギー障壁が、小さくなり、空乏層が影響を受けて傾きが小さくなってしまう。このことによって、n型にある電子が、エネルギー障壁を超えることができる可能性が上がることによって、電流が流れるようになる。対して、n型を正として電流をかけるとする。そうすると、図1のｎ型の領域の位置が、下がる。このことによって、図6に書いてある、傾きの高さであるエネルギー障壁が、大きくなり、空乏層が影響を受けて傾きが大きくなってしまう。このことによって、n型にある電子が、エネルギー障壁を超えることができる可能性が下がることによって、電流が流れなくなってしまう。このことによって、電圧の印加により整流性が現れることがわかる。このエネルギー障壁である禁制帯の幅を超える際のエネルギーに相当するエネルギーが、電子と正孔の再結合の際に光や熱などとして放出される。この現象を起こす半導体の中で十分に強い光を示す半導体が、光ダイオードである。そのため、このようにして、光ダイオードは、光を放出する。この禁制帯と波長の間には、

が成立するので、禁制帯の幅を調整し、光の波長のλが、380[nm]以上750[nm]以下の可視光の範囲にすれば光を見ることができる。そして、次にこの可視光領域において、高輝度発光を得るために必要となる材料の条件について考えていく。まず、可視光領域を調整するためにより禁制帯の幅が広い物質が必要であると考えられる。それに対応するのは、13族元素のガリウムと15族元素の窒素、リン、ヒ素との化合物である。このガリウムは、15族の元素の原子番号が低いほど、化合物の禁制帯の幅が広い。このような物質のような禁制帯の幅が広いものが必要だと考えられる。次に、ダイオードについて考える。ダイオードは、整流作用を持ち、電圧が上昇すると、電流は、最初はあまり上昇しないが、ある値になると急激に電流が上昇するというような特性を持っている。そのため、電流を流せば、流すほど光ダイオードは、高輝度発光すると考えられる。しかし、ダイオードは、光を発生しさせると同時に、熱も発生させるのである。そのため、電流を流せば流すほど、光ダイオードは、高輝度発光を起こすが、熱によって熱膨張を起こして、禁制帯の幅を変化させる。その影響で、光る色が、変わってしまう。また、色が変わることともそうだが、熱によって、材料が溶解してしまうことも考えられる。そのため、光ダイオードには、熱耐性が必要である。次に、高輝度発光するための光りやすい半導体について考えていく。シリコンは、最外殻に4個の電子が存在しており、シリコン同士がつながると、エネルギー順位が、8個存在することになる。これをエネルギーバンド図で簡易的に表してみると、図2のようにあらわされる。そうすると、価電子帯の頂上と伝導体の底の場所がずれていることがわかる。たいして、ガリウムヒ素の場合のエネルギーバンド図を図3で表すと、価電子帯の頂上と伝導体の底が揃っていることがわかる。これらから、価電子帯の頂上と伝導体の底が、揃っていると、電子が移動しやすく、揃っていないと、電子が移動しづらい事がわかる。これは、光が、移動しやすいか否かということに関係していると考えられる。そのため、エネルギーバンド図で見た時に価電子帯の頂上と伝導体の底が揃っている半導体が、光りやすい半導体だと考えられる。これらから、禁制帯の幅が、可視領域になるように調節できるほど広く、熱に耐性があり、エネルギーバンド図で見た時に価電子帯の頂上と伝導体の底が揃っている半導体であることが、可視光領域において、高輝度発光を得るために必要となる材料の条件だと考えられる。

光ファイバの光伝送原理について詳しく説明し，使用される材料に求められる性質について述べなさい。

光通信の伝送路である光ファイバの伝送原理について考えていく。光ファイバは、図4に概形を示すが、中心部には、コア、その周りにクラッドが存在するというような2重構造になっている。このコアとクラッドには、屈折率の違いがある。コアの方が、クラッドよりも屈折率が大きい。これによって全反射を発生させる。どのようにして全反射が発生するかを考える。屈折率が異なる物質を接するようにして、上の物質の屈折率をn、下の物質の屈折率をmとおき、ｍ＞ｎとする。また、屈折率n、mの時の光と垂直直線との間の角度を、α、βとおく。これに下から光を入射する。この時の図を図5として示す。それを見てみると、βの角度が、αの角度よりも大きくなることがわかる。また、上から光を入射した時の図を図6として示す。この時には、αの角度が、βの角度よりも大きくなることがわかる。そして、この全反射が起こるのは、下から入射した時のような屈折率が大きい方から小さい方に光が進んだ時である。なぜ全反射が起こるかというと、入射角βよりも反射角αの方が大きくなることがわかるので、角度βを大きくしていけば、角度αは次第に物質と物質の境界面に近づくことになる。そして、角度αが、角度βと同じ値になった時に、屈折率がｍの領域で光が屈折ではなく、すべて反射されるというような全反射が起こる。これをわかりやすいように図7に示す。このことが、光ファイバでも起こっている。屈折率ｎの物質が、クラッドで、屈折率ｍの物質が、コアと考えて、コアのところに光を入射することで全反射が起きるということがわかる。この全反射が光ファイバで連続して起こることによって、光を伝送している。また、コアの部分の屈折率を中心部から周辺部に向けて低くなることで傾斜させることで入射角の異なる光を光ファイバ内で収束させることでより機能の向上した光ファイバを作られている。次に、光ファイバに使用する材料に求められる性質について考える。まず光ファイバの材料は、透明度の高い性質が必要であると考えられる。なぜなら、光ファイバが、透明度が高くなく、黒などの色がついていたら光が吸収されてしまい、全反射や屈折などが起きないからである。なので、透明度の高い物質を使用することで、光の吸収などを極力避ける必要があると考えられる。次に、光ファイバの材料は、光の減衰が少ないという性質を持たなければいけないと考えられる。なぜなら、長距離に光を伝達しようとしても、減衰によって伝達できないためである。それを解決するためには、光の減衰を抑える必要がある。その減衰には、2つの原因がある。1つ目は、光を吸収して熱に変換されて減衰してしまうということである。それは、波長に比べて小さい小さい粒子が、原子や分子などに当たって入射したい場所ではなくいろいろな方向に進んでしまうというレイリー錯乱が原因である。これは、原子の熱振動の動きによって屈折率に影響して減衰してしまう。なので、固体であっても熱振動が小さいという性質を持つ必要があると考えられる。また、これは、製造時に含まれてしまう不純物よって影響してしまう。鉄などの遷移金族元素が、10億分の1の単位の量でも大きく減衰に大きく影響を与え、ヒドロキシ基でも近赤外線領域において大きく減衰に大きく影響をする。なので、不純物を加えられても、減衰しない性質が求められると考えられる。その性質がないと、作成時に膨大な費用が必要になると考えられるからである。2つ目は、コアとクラッドの境界面が均一になっているかである。コアとクラッドの境界面が、ぴったりとくっついていれば、全反射による影響は少ないと考えられる。しかし、作成時に、コアとクラッドの境界面が、凸凹であったり、小さい空洞などが生まれてしまったら全反射に影響を与えてられてしまうと考えられる。そして、全反射ではなく、乱反射が発生してしまうという可能性がある。なので、物質と物質を繋げるときに、熱によって変化させると考えられる。その熱によって変化した材料がそのままの状態を持つ熱可塑性が必要だと考えられる。以上のことから、光ファイバに使用する材料に求められる性質は、透明性があり、熱振動が小さく、不純物を加えられても減衰しない性質で、熱可塑性であると考えられる。

私たちが普段からよく目にする液晶ディスプレイの表示原理と，フルカラー表示を実現する方法について，詳しく述べなさい。

液晶ディスプレイの液晶とは、液体と結晶の中間の性質を持っていて、液体分子である棒状の分子が弱い力を互いに影響しあって、規則的に配列になっている状態の物質である。これには、分子の並び方によって、ネマチック型、スメクチック型、コレステリック型というように分類されている。それを図8に示した。ネマチック型が、分子は層状にならないが、大体方向が揃っていて、スメクチック型は、分子が層状に並び、方向が揃っていて、コレステリック型は、分子が層状にならず、方向が螺旋状に回転するというような状態である。

このような3つの型があるが、液晶ディスプレイに使用されるのは、ネマチック型である。どのように表示しているのかを考えていく。液晶ディスプレイでは、ねじられたネマチック型であるツイステッドネマチック型が用いられる。このツイステッドネマチック型の形は、透明電極付きガラス板に偏光板と同じ方向の細かい傷をつけてラビング方向を作ることによって、その形になる。まずは、特定の電界振動方向の光だけを透過させる光学素子である偏光板と透明電極付きガラス板にはさまれた液晶分子を設置した図を図9に示した。この図9において、上から入射光を通した時を考えてみる。そうすると、入射光は、偏光板によって偏光板の線の入った方向の電界成分のみが通ることができる。そして、ガラス盤を通って、液晶分子の方向に対して電界の方向は変わることによって、下に進むごとに下の偏光板の線の入った方向に電界成分が変わっていき、最終的には、下の偏光板を通ることができるようになる。次に図9の図のガラス板に電界をかけた時を考えていく。その図を図10に示した。この場合、電界によって、液晶分子は、正と負の方向にそれぞれ引き付けられるようにガラス板に対して直立するようになる。その影響で、図10の上から光が入射した時を考えてみると、入射光は、偏光板によって偏光板の線の入った方向の電界成分のみが通ることができる。そのため、ガラス板を通って、液晶分子に伝わるが、電界をかけてないときのようなねじれが存在していないので、上の偏光板の線の入った方向の電界成分がそのまま下の偏光板に伝わることになる。その結果、下の偏光板の線が入った方向に入射してきた電界成分はあっていないので遮断されてしまうことになる。この電界をかけるか、かけないかによって、白と黒の色を作ることができることがわかる。このことから、表したい画像を白と黒とで色を変化させることによって、液晶ディスプレイで表したい画像を表示できるということがわかる。このような図を作る作業を1秒当たり何百回以上繰り返すことによって、映像映すディスプレイの役割を果たしていると考えることができる。次にフラカラー表示を実現するためには、どうすればよいのかを考える。フルカラー表示には、赤、緑、青の3色を混ぜ合わせることで様々な色を作り出せる光の三原則を利用していると考えられる。そのため、その光の三原則を通常の液晶ディスプレイに組み込めばよいと考えられる。だから、出力する方向のガラス板の液晶分子方向に赤、緑、青のカラーフィルターを入れればよいと考えられる。そうすることができれば、白色として出力される光がカラーフィルターを通ることで、カラーフィルターの色として出力できる。しかし、光の三原色を利用するので、赤、緑、青でそれぞれの構造を作ったものをひとまとまりとして扱い、そのまとまりを何万もの数を用意することでフルカラーの液晶ディスプレイを作成できる。例を出すと、黄色と白色を出力したければ、黄色の方は、ひとかたまりの赤、緑、青の中の青の電極に電圧をかけて、色を通らないようにして、赤と緑を出力して、黄色を作成する。そして、白色の方は、ひとかたまりの赤、緑、青のすべての電極に電圧をかけなければ、白色として出力される。このようなことを図や絵になるように何万もの数、電圧の調整をして図を作ることによって作成される。これを簡単に図11として示した。このような図を作る作業を1秒当たり何百回以上繰り返すことによって、鳥が羽ばたく様子などを映像として映すことができる。

ルミネセンスとはなにかを説明し，有機ELの発光原理について述べなさい。また，薄型テレビへの応用を考えたとき，液晶テレビよりも優れている点と劣っている点についてそれぞれ調べ，理解することのできた内容をもとにまとめなさい。

ルミネセンスとは、物質が吸収したエネルギーを光として放出する発光現象である。このルミネセンスには、エネルギーの与え方によって何個かの種類がある。それは、電圧を与えることで原子や分子などを基のエネルギー状態から高いエネルギー状態に移行させて、電界を取り去ることで電子エネルギーが元に戻る。そして、その際の余分なエネルギーによって発光するエレクトロルミネセンス。約10[nm]から400[nm]の波長の紫外線や約380[nm]から780[nm]の波長の可視光線などを与えることによって発光するという光ルミネセンス。蛍光体に刺激を与えて原子や分子などを基のエネルギー状態から高いエネルギー状態に移行させて、その刺激をなくしてから温度を上げたときに発光するという熱ルミネセンス。化学反応によって発光するという化学ルミネセンス。X線や、電子線などの高いエネルギーを持つ放射線を当てることによって発光するという放射線ルミネセンス。結晶を細かく砕きすり潰した時に発光するという摩擦ルミネセンス。ある物質に超音波を加えることで発光する音ルミネセンスなどがある。有機ELは、ルミネセンスの一種であるエレクトロルミネセンスの一種である。この有機ELの発光原理を考える。有機ELディスプレイの有機多層膜部分を図12、有機ELディスプレイの全体断面図を図13として示した。有機ELは、有機ELディスプレイの有機多層膜部分に用いられている。この部分には、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層、電子輸送層というところがある。これら5層構造は、ヘテロ構造層と言われる。有機ELは、基本的にpn接合と同じ構造で光っていると考えることができる。この構造の中で、正孔注入層、正孔輸送層部分が、p型半導体、電子注入層、電子輸送層部分が、n型半導体と考えることができる。そうしてみると、ダイオードのような整流性が現れることがわかるので、順方向バイアスを印加した時に発光層において、電子と正孔の再結合による発光現象が見ることができる。このように、有機ELは発光している。， 次に、薄型テレビへの応用を考えた時に有機ELテレビが、液晶テレビよりも優れている点を考えてみる。まず1つ目が、薄く、軽く作ることができる点である。液晶テレビは、図10や図11で示したように光と電圧とフィルターによって映している。しかし、有機ELテレビは、有機物自身が光ることが可能になっている。そのため、有機ELテレビは、発光要素を仕切る障壁やバックライトやカラーフィルターが必要ではないことがわかる。また図13を見ても、図10，11に比べて構造が簡単であることが見て取れる。このことから、液晶テレビよりも厚さが薄く、質量が小さいテレビを作ることができる。そのため、薄型テレビを作る際に適していると考えられる。2つ目は、高速動作が実現できる点である。液晶テレビは、３で示した通り、液晶分子の向きを変えることによって白か黒かを決めている。対して、有機ELテレビは、そのような作業は必要なく電圧を加えるだけであるので、液晶ディスプレイよりも早い動作を行うことができる。この高速動作ができることによって、薄型でも滑らかな映像を映すことができると考えられる。3つ目は、白と黒とのコントラストが綺麗である点である。液晶テレビは、バックライトによって光っている。そのため、黒にするためにバックライトの光を遮ろうとしてもわずかに漏れてしまって完全な黒になることはない。対して、有機ELテレビは、自発光型であるので、黒にしたいときには電圧をかけなければ完全な黒になり、光が漏れるということはなくなる。そのため、有機ELディスプレイの方が、液晶ディスプレイよりも白と黒とのコントラストを綺麗に映すことができる。このことによって、薄型でもきれいな映像を見ることができる優れていると考えられる。次に、薄型テレビへの応用を考えたとき，有機ELテレビが液晶テレビよりも劣っている点を考えてみる。1つ目は、焼き付きが起こってしまう可能性がある点である。有機ELテレビは、発光が自発型であるので、素子自体が劣化することによってその素子が焼き付いてしまうことがある。対して、液晶テレビは、バックライトによって光を当てているので有機ELテレビよりも焼き付きが起きづらいと考えることができる。そのため、有機ELテレビを薄型化する際に、薄くしすぎることによって有機ELの素子が薄くなってしまい劣化が早くなって焼き付きが起こる可能性があるので、劣っていると考えられる。2つ目は、有機ELテレビの方が、大型の薄型化が難しい点である。有機ELテレビは、基本的にマスク蒸着方式で赤、緑、青の色を塗っている。図12のような構造は、低分子材料を用いて行われている。しかし、大型化の際には、マスク蒸着方式を用いると熱を加えることが原因で、マスク蒸着方式で使用する際にマスクが歪んでしまい、大型化に失敗してしまう。対して、液晶テレビは、製造時に大型化に失敗することがない。なので、大型で薄型化したテレビは、有機ELテレビの方が、液晶テレビよりも劣っている。以上で薄型化する時の有機ELテレビが、液晶テレビよりも優れているところと劣っているところを述べた。

参考文献

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[3]トライイットTryit、「全反射とは ～全反射のしくみ・具体例～」、（【中１理科】全反射とは ～全反射のしくみ・具体例～ | 映像授業のTry IT (トライイット) (try-it.jp)）、2021年7月22日参照.

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[5]SHARP、「液晶ディスプレイの構造と作り方」、（液晶ディスプレイの構造と作り方｜液晶の世界：シャープ (jp.sharp)）、2021年7月22日参照.

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[7]コトバンク、「励起」、（励起とは – コトバンク (kotobank.jp)）、2021年7月22日参照.

[8]中島篤之助、JapanKnoeledge Lib、「ルミネセンス」、（ルミネセンス | 日本大百科全書 (japanknowledge.com)）、2021年7月22日参照.

[9]Canon、「有機ELの仕組みと特徴」、（有機ELのしくみと特徴 | キヤノンサイエンスラボ・キッズ | キヤノングローバル (global.canon)）、2021年7月22日参照.

[10]日経XTECH、「有機EL（エレクトロルミネッセンス）」、（有機EL（エレクトロルミネッセンス） | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)）、2021年7月22日参照.

[11]EDNJapan、「いまさら聞けないデジタル技術の仕組みを解説夢の薄型テレビ、大型有機EL」, 2012年08月03日、(夢の薄型テレビ、大型有機EL：いまさら聞けないデジタル技術の仕組みを解説（2/3 ページ） – EDN Japan)、2021年7月22日参照.

[12]お役立ち情報研究所、「有機ELと液晶のコントラストを比較すると？4K・8Kテレビでは？」、（有機ELと液晶のコントラストを比較すると？4K・8Kテレビでは？ | お役立ち情報研究所 (team-supporter.com)）、2021年7月22日参照.

[13]CAPA、「今流行りの「有機EL」メリット・デメリットは？液晶とは何が違うのか」、（今流行りの「有機EL」メリット・デメリットは？液晶とは何が違うのか | 株式会社キャパ CAPA,Inc. コーポレートサイト）、2021年7月22日参照.

最後に

参考になれば幸いです。