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講義概要/Course Information

2020/04/28 現在

科目基礎情報/General Information

授業科目名 /Course title (Japanese)	ナノエレクトロニクス特論
英文授業科目名 /Course title (English)	Advanced Nano-Electronics
科目番号 /Code
開講年度 /Academic year	2020年度	開講年次 /Year offered	全学年
開講学期 /Semester(s) offered	前学期	開講コース・課程 /Faculty offering the course	博士前期課程、博士後期課程
授業の方法 /Teaching method	講義	単位数 /Credits	2
科目区分 /Category	大学院専門教育科目 - 専門科目Ⅱ
開講学科・専攻 /Cluster/Department	基盤理工学専攻
担当教員名 /Lecturer(s)	中村　淳
居室 /Office	西2-325
公開E-Mail /e-mail	Jun.Nakamura@uec.ac.jp
授業関連Webページ /Course website	http://www.natori.ee.uec.ac.jp/junj/index-j.html
更新日 /Last updated	2020/04/16 16:47:33	更新状況 /Update status	公開中 /now open to public

講義情報/Course Description

主題および 達成目標 /Topic and goals	ナノテクノロジーに基づく微細化の進展にともない原子レベルのデバイス構造制御が可能となり、固体内での電子の波動性に基づく量子力学的挙動の顕在化と機能制御を利用した新たな量子デバイスの提案がなされつつある。本授業ではデバイス物理、特に微細構造をもとにしたナノデバイス工学、ナノエレクトロニクスの研究に必要な量子力学の基礎を講義し、微細構造における量子効果の発現機構を明らかにする。これら基礎を修得し、量子構造を用いた具体的なデバイスの動作原理と、それらを用いた各種演算回路について理解することを目標とする。 Along with the progress of miniaturization based on nanotechnology, a control of device structures at an atomic scale became possible, new quantum devices utilizing the quantum mechanical behavior based on the wave nature of electrons in the solid have been proposed. In this class, we will give lectures on the fundamentals of quantum mechanics necessary for device physics, especially nanodevice engineering based on microstructure and nanoelectronics, and clarify the mechanism of the onset of quantum effects in fine structure. We will learn these fundamentals and aim to understand the operation principles of devices using quantum structure and various operation circuits using them.
前もって履修 しておくべき科目 /Prerequisites	特になし None
前もって履修しておくこ とが望ましい科目 /Recommended prerequisites and preparation	固体物理学、量子力学、半導体工学 、電子デバイス Solid state physics, Quantum mechanics, Semiconductor engineering, Electronic devices
教科書等 /Course textbooks and materials	教科書：特に指定しないが以下の書籍を薦める。 Text book: Not specified but I recommend the following book. David K. Ferry, "Quantum Mechanics: An introduction for device physicists and electrical engineers" (Taylor & Francis, New York) その他、授業中に適宜参考書を紹介する。 John H. Davis, "The Physics of Low-dimensional Semiconductors", (Cambridge Univ. Press, 1998)
授業内容と その進め方 /Course outline and weekly schedule	この授業では、量子論の原理（体系）の説明からスタートして、量子井戸、障壁、周期ポテンシャルなど、ナノスケールデバイスの動作を理解するために必要なモデル系へのシュレディンガー方程式の適用について述べる。基本的に講義をベースとし、理解を助けるための小テストやレポート課題を適宜課す。 第１回：授業ガイダンス・本授業の概要 第２回：量子力学の原理 第３回：解析力学の復習１：ラグランジュの運動方程式 第４回：解析力学の復習２：ハミルトンの正準方程式 第５回：量子力学の復習１：正準量子化 第６回：量子力学の復習２：波動関数の意味、連続の方程式 第７回：各種デバイス構造の概説 第８回：各種デバイス構造におけるモデルポテンシャルの設定方法 第９回：各種量子効果デバイスの概説とモデルポテンシャルの設定 第１０回：各種境界条件下におけるシュレディンガー方程式の解析的解法１：散乱状態と束縛状態 第１１回：各種境界条件下におけるシュレディンガー方程式の解析的解法２：典型的な量子構造 第１２回：各種境界条件下におけるシュレディンガー方程式の数値的解法１：離散化 第１３回：各種境界条件下におけるシュレディンガー方程式の数値的解法２： 第１４回：量子効果デバイスを用いた演算回路の概説１ 第１５回：量子効果デバイスを用いた演算回路の概説２と新しい量子効果デバイスの可能性 TypeⅡ：Japanese-based course, with English materials Part 1: Class guidance · Outline of this lesson Part 2: Principles of quantum mechanics Part 3: Review of analytical mechanics 1: Lagrange's equation of motion Part 4: Review of analytical mechanics 2: Hamiltonian canonical equation Part 5: Review of quantum mechanics 1: Canonical quantization Part 6: Review of quantum mechanics 2: meaning of wave function, equation of continuity Part 7: Outline of various device structures Part 8: How to set model potential in various device structures Part 9: Outline of various quantum effect devices and setting of model potential Part 10: Analytical solution of Schrödinger equation under various boundary conditions 1: Scattering state and bound state Part 11 Analytical solution of Schrödinger equation under various boundary conditions 2: Typical quantum structure Part 12: Numerical solution of Schrödinger equation under various boundary conditions 1: Discretization Part 13: Numerical solution of Schrödinger equation under various boundary conditions 2: Part 14: Outline of arithmetic circuits using quantum effect devices 1 Part 15: Outline 2 of the operation circuit using the quantum effect device and the possibility of the new quantum effect device
実務経験を活かした 授業内容 (実務経験内容も含む) /Course content utilizing practical experience
授業時間外の学習 （予習・復習等） /Preparation and review outside class	途中、レポート課題（おおむね３回程度）を課し、講義内容の補充・復習をしてもらう。 I will impose a report assignment (approximately 3 times) to have your understanding of the contents of the lectures.
成績評価方法 および評価基準 （最低達成基準を含む） /Evaluation and grading	現実の電子・光デバイスにおいて、量子井戸、障壁、およびその周期配列がどのように適用されているかを理解することが本授業の目標である。規定（授業中に明示）の課題レポートを提出し、課題の概ね６割の内容が理解できていると判断すれば合格とする。課題の詳細は課題提示以降、授業関係ウェブページに適宜掲載するので参照してほしい。 The goal of this class is to understand how quantum wells, barriers, and periodic arrangements are applied in real electronic / optical devices. I will submit an assignment report of regulations (explicitly stated in the class) and pass it if it is judged that the contents of about 60% of the subjects are understood. Details of the assignment will be posted on the class web page as necessary after presenting the assignment so please refer to it.
オフィスアワー： 授業相談 /Office hours	火曜５限（西２−３２５）。 この時間に都合が付かない場合には、メールや電話などにより別途アポイントメントを取ること。 なお、中村研の修士２年、博士課程の学生も授業・進路相談にのってくれます。 Tuesday 5th (West 2-325). If this time is not convenient, you should take a separate appointment by e-mail or telephone. In addition, Nakamura Lab's second year master's doctoral student will also take classes / career counseling.
学生へのメッセージ /Message for students	量子力学は電子デバイスの理解に必要不可欠ですが、量子力学を体系立てて勉強したことがなくとも理解できるよう配慮するつもりです。是非とも、ナノスケールで顕在化する量子論の世界へ足を踏み入れてみてください。 Quantum mechanics is indispensable for understanding electronic devices, but we intend to give consideration to those who have never studied quantum mechanics systematically.  Pease step into the world of quantum theory which becomes manifest at the nanoscale.
その他 /Others	今年度に限り、オンデマンド授業形式で開講します。 授業（ノート、音声）はG Suiteで配信しますので、Google Classroomに「大学から与えられたG Suiteのアカウント」でログインして、以下のクラスコードを入力して授業に参加してください。 "（第一回授業５月１２日までに呈示します）" 毎回、課題をGoogle Classroom経由で呈示しますので、期限までに提出してください。 This class will be offered in on-demand class only for this fiscal year. Classes (notes and audio) will be distributed by G Suite, so please log in to Google Classroom with "your G Suite account given by UEC" and enter the class code below to join the class. "(The first class will be presented by May 12)" Each time, the assignment will be presented via Google Classroom, so please submit it by the deadline.
キーワード /Keyword(s)	量子力学、電子デバイス、超格子、量子井戸、トンネル障壁 Quantum mechanics, electronic devices, super-lattice, quantum well, tunnel barrier