マンガでよめる痔のこと・薬のこと

半導体レーザーでDH(ダブルへテロ)構造を用いたキャリアの閉じ込めについてなんですが、この場合電子が伝導帯に出てくるヘテロ障壁によって閉じ込められることは分かるのですが、正孔は価電子帯にあると思うので、ヘテロ障壁が価電子帯に出てきても、ヘテロ障壁がエネルギー的に低い側にできてしまって、正孔がより安定なエネルギーの低い方へ行くとすれば、正孔は閉じ込められない気がするのですが、どう考えれば良いですか?
あと、半導体レーザーは消費電力が小さいということなのですが、一般的なレーザー(He-Neレーザーなど)と比べると、どの程度消費電力が小さいのですか?

このQ&Aに関連する最新のQ&A

A 回答 (2件)

(正孔の閉じ込めについて)


参考資料 [1] の図3(2ページ目)に、DH構造のバンドラインナップが出ています。DH構造とはヘテロ接合が2つあるだけでなく、以下のような構造をいいます。
  (1) 発光材料となる活性層が、活性層よりバンドギャップが大きいクラッド層で挟まれている
  (2) 活性層の伝導帯下端はクラッド層の伝導帯下端より、エネルギー的に低い位置にある(これにより電子を閉じ込める)
  (3) 活性層の価電子帯上端はクラッド層の価電子帯上端より、エネルギー的に高い位置にある(これにより正孔を閉じ込める)
  (4) 活性層の屈折率はクラッド層の屈折率より大きい
(2) と (3) がキャリア(電子・正孔)の閉じ込めに関連する項目です。電子はバンド図の下側(エネルギーの小さい方向)に落ちようとする性質があり、正孔は上に昇ろうとする性質があります(電子を玉、正孔を水の中の泡と考えてください)。正孔については、(3) のように価電子帯上端がクラッド層の価電子帯上端より高い位置にあるので、クラッド層から活性層に注入された正孔は活性層両側の価電子帯不連(壁)にはばまれて閉じ込められます。(2) と (3) が成り立てば、(1) は自動的に満たされます。(4) は周期律表の同じ族の半導体なら通常成り立ちます(バンドギャップが大きい材料ほど屈折率が小さくなる)。

(消費電力について)
He-Neの消費電力は知りませんが、半導体レーザのエネルギー変換効率は10-60%程度です。半導体レーザには「しきい値電流」というのがあって、これ未満の電流では発振(発光)しませんので、「しきい値電流×そのときの電圧」の電力が、発光に寄与しない損失になります。しきい値電流より大きな電流を流せば、その電流増分に比例した光パワー(W単位)が出てきます。つまり、光出力を P [W]、動作電流を Iop [A]、しきい値電流を Ith [A] とすれば
   P = S*( Iop - Ith )
で表わされます。S はスロープ効率 [W/A] とよばれる量で、電流によらずほぼ一定です。

動作電流での電圧を Vop [V]とすれば、動作時の電力消費 E [W] は
   E = Iop*Vop
ですから、エネルギー変換効率 η は
   η = P/E = S*( 1 - Ith/Iop )*Vop --- (1)
となります。Ith は一定値なので、動作電流 Iop が大きいほど効率が大きくなります(上限は S*Vop)。

資料 [1] の9ページにDVD用の赤色半導体レーザの特性例が出ています。光出力 7mW を出すのに必要な電流(動作電流)は 35mA、そのときの電圧は 2.2V なので、エネルギー変換効率は
  η = 7/(35*2.2) = 0.091 = 9.1%
となります。21ページに光出力-電流特性(L-I 特性)が出ていますが、25℃でしきい値電流は Ith = 35mA、スロープ効率は 0.71 W/A 程度になります。Ith は温度が高いほど大きくなるので、高温でのエネルギー変換効率は、式(1) の Ith の増分に従って低下します。

[1] 半導体レーザカタログ http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/catalog/ja …
    • good
    • 0
この回答へのお礼

inaraさん、ありがとうございます。正孔はエネルギーの高い側に行こうとするんですね。知らなかったです・・・
分かりやすい回答で理解できました。

お礼日時:2007/11/08 16:18

ANo.1 です。


式(1)を訂正します
【正】   η = P/E = S*( 1 - Ith/Iop )/Vop --- (1)
    • good
    • 0

このQ&Aに関連する人気のQ&A

お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!

このQ&Aを見た人が検索しているワード

このQ&Aと関連する良く見られている質問

Q活性化エネルギーの求め方が分かりません

ある反応において、35℃における速度定数が25℃の2倍になったという。
この反応の活性化エネルギーはいくらか求めたいのですが、わかりません。
教えてください!

Aベストアンサー

ryota7さんがお答えのように『アレーニウスの式』を利用すれば計算できると思いますよ。

『アレーニウスの式』では速度定数をk、頻度因子をA,活性化エネルギーEa、気体定数R、温度T(絶対温度)、ネピアの定数をeとすると

K=A×eの(-Ea/RT)乗  つまりK=Ae^(-Ea/RT)となります。

ここで、25℃における頻度因子、活性化エネルギーは35℃におけるそれらと等しい(この温度間で変化しない)と仮定します。
そして、25℃の時の速度定数、K(25℃)と35℃の時の速度定数、K(35℃)の比を計算します。

K(35℃)/K(25℃)は、問題の設定から2倍ですから、

K(35℃)/K(25℃)=2=A(35℃)e^(-Ea/RT1)/ A(25℃)e^(-Ea/RT2)となります。

ここではT1は35℃に相当する絶対温度で35+273(k)T2は25℃に相当する絶対温度で25+273(k)です。
また、この式から分かるように頻度因子は約分されてしまいます。

両辺の自然対数(底が10の常用対数ではありません。常用対数を使うのならば換算しなければなりません。)をとると

ln2=(-Ea/RT1)-(-Ea/RT2)

Ea/Rは共通なので

ln2=(Ea/R)(1/T2-1/T1)となります。

ここへT1,T2、Rを代入すればEaは簡単に計算できます。

用いる気体常数の単位に気をつけてください。
私が学生の頃は旧単位系なので1.987を用いていました。

これを用いると計算結果はカロリーで出てきます。
それをキロカロリーに換算して用いていました。
現在はSI単位系つまりKJ/molでないといけないと思いますが、考え方自体は変わらないはずです。

ちなみに、ln2=0.693として計算すると12.6kcal/mol(旧単位系)となりました。

ryota7さんがお答えのように『アレーニウスの式』を利用すれば計算できると思いますよ。

『アレーニウスの式』では速度定数をk、頻度因子をA,活性化エネルギーEa、気体定数R、温度T(絶対温度)、ネピアの定数をeとすると

K=A×eの(-Ea/RT)乗  つまりK=Ae^(-Ea/RT)となります。

ここで、25℃における頻度因子、活性化エネルギーは35℃におけるそれらと等しい(この温度間で変化しない)と仮定します。
そして、25℃の時の速度定数、K(25℃)と35℃の時の速度定数、K(35℃)の比を計算します。

...続きを読む

Q半導体になる元素

半導体になる元素はC,Si,Geがありますが、なぜこれらと同じ14属のSn,Pbは半導体にはならないのでしょうか?分かる方いましたらお願いします。

Aベストアンサー

chiezo2005 さんの説明通りですが、若干(かなり)補足します。

C(ダイヤモンド)やSi、Geなどの単体元素(1種類の元素)からなる結晶では、周期律表の上の元素ほど原子間距離が小さくなるのでバンドギャップエネルギーが大きくなります [1]。同様の傾向は、化合物でも見られます。14族化合物で言えば、Si と Ge の混晶はSi の組成が大きいほどバンドギャップが大きいのですが、同時に Si 組成が大きいほど格子定数が小さくなります。これをベガード則といって、これを利用して格子定数の測定値から混晶の組成を求めるという方法がよく使われています。

ベガード則は同じ族の化合物だけでなく、異なる族のII-VI族( ZnOやZnSeなど )やIII-V族( GaNやGaAsなど )化合物でも成り立ちます。資料 [2] は主な半導体の格子定数とバンドギャップの関係を示したものですが、全体に右下がりになっています。つまり横軸の格子定数が大きいほど縦軸のバンドギャップが小さくなります。III族元素とV族原子がともに周期律表の下にあるInSb は、この表の中で格子定数が最も大きく、バンドギャップは0.25eV程度と半金属になっています。バンドギャップは格子定数だけで決まるわけではないので、同じ格子定数なら同じバンドギャップというわけではないのですが、Si と Ge が直線で結ばれているように、混晶の格子定数とバンドギャップの関係は比例関係にあります。しかし例外もあります。GaIs-InAs系は曲線で結ばれているのでリニアではありませんし、GaAs-AlAs系のように、組成が変わっても格子定数がほとんど変わらない場合もあります。

原子間距離が小さいほどバンドギャップが小さくなるのは、化学結合や半導体物理を学ばれていないと理解が難しいのですが、まず孤立原子を考えます。孤立原子の電子のエネルギーは、水素原子のエネルギーモデルのように、飛び飛びのエネルギー準位になっています [4]。これに対して、結晶のように、複数の原子が規則的に並んでいて、その距離を縮めていくと、準位が広がりを持ってきて、エネルギー的に幅を持った「バンド(帯)」の状態になります。原子間距離が小さいほどバンドが広がっていきますが、バンドが広がってくると、隣接バンド間の間隔(ギャップ)が狭まってくるので、バンド間の間隔(バンドギャップ)が小さくなります。この様子を図示したのが資料 [3] です。このような性質があるため、Sn やPbのように格子定数が小さい物質では、このバンド間の間隔が小さかったり(α-Sn)、重なってしまったり( β-Sn、Pb ) するので、半金属や金属になってしまいます。Ge のバンドギャップが Si より小さいのもこのためです。格子定数が大きいほどバンドギャップが小さくなるというのは、バンドギャップの温度依存(高温ほどバンドギャップが狭くなる)の説明にもなります。物質は高温ほど伸びますが、これは格子定数が大きくなっているからで、このため高温ほどバンドギャップが狭くなるのです。

蛇足ですが、バンドギャップと屈折率にも関係があって、バンドギャップが大きいほど屈折率が小さくなります。ガラスやサファイヤなどバンドギャップが大きいものは屈折率が小さく、バンドギャップの小さいものほど屈折率が大きくなります(したがって光の反射率が高くなる)。この傾向を利用して、バンドギャップの小さい半導体を、バンドギャップの大きい半導体ではさんだダブルヘテロという構造が発光素子では使われています。こうすれば光を内部に閉じ込めることができるので発光効率を高めることができます。

[1] 「3.LCAOによるバンド構造の理解」の部分  http://semicon.kuee.kyoto-u.ac.jp/index.php?%BC%F8%B6%C8%2F%C8%BE%C6%B3%C2%CE%B9%A9%B3%D8%C6%C3%CF%C0
[2] 格子定数とバンドギャップの関係 http://www.isl.titech.ac.jp/~munelab/Test05.pdf
[3] 固体のエネルギーバンド (PDFファイル5ページ) http://www.ee.fukui-nct.ac.jp/~yoneda/text/Lecture/Device2/data/1B.pdf
[4] 水素原子のエネルギー準位 (PDFファイル3ページ) 同上

chiezo2005 さんの説明通りですが、若干(かなり)補足します。

C(ダイヤモンド)やSi、Geなどの単体元素(1種類の元素)からなる結晶では、周期律表の上の元素ほど原子間距離が小さくなるのでバンドギャップエネルギーが大きくなります [1]。同様の傾向は、化合物でも見られます。14族化合物で言えば、Si と Ge の混晶はSi の組成が大きいほどバンドギャップが大きいのですが、同時に Si 組成が大きいほど格子定数が小さくなります。これをベガード則といって、これを利用して格子定数の測定値から混晶の組...続きを読む

QCMOS-EXOR回路 双方向スイッチの双方向ってどういう意味ですか?

CMOSでEXOR回路を作るとき、双方向スイッチを用いて回路を構成出来ると思います。
動作自体はわかるんですが、双方向スイッチの双方向の意味がわかりません。
どういった部分が双方向なんでしょうか。

宜しくお願いします。

Aベストアンサー

CMOSのEXOR回路に用いるスイッチってことなんで、バスのスイッチとかじゃなくて、CMOSスイッチ(パス・トランジスタ)のことをいっているんですかね。

バイポーラトランジスタは、普通コレクタとエミッタが対称ではない(キャリアの濃度がかなり違う)ので、(VBEをONさせれば)コレクタからエミッタへは電流をたくさん流せますが、トランジスタを逆向きに使ってVBCをONさせてもエミッタからコレクタ側へは、あんまり電流を流すことができません。

つまり、バイポーラトランジスタをスイッチとして用いるとして、スイッチをONさせる(ベースの電位を上げる)と、

・もし、コレクタ側がエミッタ側よりも電位が高い場合には、(コレクタからエミッタに電流が流れて)、エミッタ側の電位はコレクタ側の電位に等しくなります。
・逆に、もし、エミッタ側がコレクタ側よりも電位が高い場合には、(エミッタからコレクタへはトランジスタがONしてもあんまり電流が流れないので)、コレクタ側の電位は低いままです。

というわけで、バイポーラトランジスタをスイッチとして用いると、片方向にだけ通すスイッチになってしまいます。

ですが、MOSトランジスタはバイポーラと違って、ソースとドレインが完全に対称なんで、オンさせると、ドレインからソースへ、あるいは、逆に、ソースからドレインへ、どっち向きにも電流が流れます。
というわけで、MOSでスイッチを作ると、双方向のスイッチができます。つまり、スイッチをONさせると、かならず、ドレインとソースの電位が等しくなります。

MOSトランジスタはデバイスとして考えると、動作速度などバイポーラよりも劣っている部分も結構あるのですが、このソースとドレインが完全に対称で(双方向の)スイッチが簡単に作れるというのは大きな利点でして、CMOSアナログ回路は、いかにスイッチをうまく使うかってのがキモだったりします。

CMOSのEXOR回路に用いるスイッチってことなんで、バスのスイッチとかじゃなくて、CMOSスイッチ(パス・トランジスタ)のことをいっているんですかね。

バイポーラトランジスタは、普通コレクタとエミッタが対称ではない(キャリアの濃度がかなり違う)ので、(VBEをONさせれば)コレクタからエミッタへは電流をたくさん流せますが、トランジスタを逆向きに使ってVBCをONさせてもエミッタからコレクタ側へは、あんまり電流を流すことができません。

つまり、バイポーラトランジスタをスイ...続きを読む

QRC並列回路(直流)の微分方程式が分かりません

RC並列回路(直流回路)の過渡応答の微分方程式がうまく導くことができません。
初期状態で,電荷Qがコンデンサに蓄えられています。
回路動作のイメージは出来ているのですが・・・。

どなたか,助けていただけませんか?
もうノートが真っ黒です。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

とりあえず,ANo.5のaの回路を扱っておきます.
例によってスイッチSを閉じた瞬間を時刻t = 0とし,
電源から流出する電流をi,
抵抗を流れる電流をi_R,
コンデンサを流れる電流をi_Cとします.

キルヒホフの第1法則より
i = i_R + i_C. …(1)

第2法則より
v = r i + R i_R, …(2)
v = r i + (1/C)∫(-∞,t] i_C dt. …(3)

※私個人的には気持ち悪いのですが,式が煩雑になるのを避けるため,定積分の上端と積分変数に同じ文字を使いました.

※あと,デルタ関数とかの処理をきっちりするため,積分下端を-∞にしました.

ただし,
v = E u(t). …(4)

(1),(2)よりi_Rを消去して,
i_C = (1 + r/R)i - v/R.

これを(3)に代入して,
v = r i + (1/C)∫(-∞,t]{(1 + r/R)i - v/R}dt
dv/dt = r di/dt + (1 + r/R)i/C - v/(C R)

∴di/dt + (1 + r/R)i/(C r) = {dv/dt + v/(C R)}/r = (E/r){δ(t) + u(t)/(C R)}.

ただし,初期条件は E = r i(0) より
i(0) = E/r.

これがこの回路の微分方程式です.

----
この微分方程式はラグランジュの定数変化法で解くことができて,初期条件を考慮した解は,t > 0 において

i
= (E/r)exp{-(1 + r/R)t/(C r)}
+ E/(R + r) [1 - exp{-(1 + r/R)t/(C r)}],

したがって,

i_R = E/(R + r) [1 - exp{-(1 + r/R)t/(C r)}],

i_C = (E/r)exp{-(1 + r/R)t/(C r)}.

コンデンサの両端の電圧は

v_C = R i_R
= E/(1 + r/R) [1 - exp{-(1 + r/R)t/(C r)}]

以上の結果においてr→+0の極限を取ると,その振る舞いはANo.3の解と一致します.

とりあえず,ANo.5のaの回路を扱っておきます.
例によってスイッチSを閉じた瞬間を時刻t = 0とし,
電源から流出する電流をi,
抵抗を流れる電流をi_R,
コンデンサを流れる電流をi_Cとします.

キルヒホフの第1法則より
i = i_R + i_C. …(1)

第2法則より
v = r i + R i_R, …(2)
v = r i + (1/C)∫(-∞,t] i_C dt. …(3)

※私個人的には気持ち悪いのですが,式が煩雑になるのを避けるため,定積分の上端と積分変数に同じ文字を使いました.

※あと,デルタ関数とかの処理をきっちりするため,積分下端を-∞にしまし...続きを読む


人気Q&Aランキング