高校生対象ＩＣレイアウト設計とその自作ＩＣを用いた電子物性教育システムの開発

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高校生のような初学者が基本的論理回路を学習するときには、電子の動きをトランジスタやICの構造と結びつけて学習することが望ましい。しかし、市販のICでは、あらかじめ動作が最適化するように設計されており、その応答特性を計測した結果から電子の挙動を学習することは難しい。そこで、ゲート幅やゲート長を変化させた電界効果型トランジスタから構成された論理回路を、高校生にICレイアウト専用CADシステムを用いて、レイアウト設計させた。ゲート幅/ゲート長比が9.3から93のトランジスタ、およびそれらのトランジスタ5000個を直列に接続したカスケードドライバを設計し、この設計データに基づいた、自作ICチップを得た。電子移動量の違いによるインバータ特性の違いや周波数(ゲート電圧印加時間)によるスイッチング特性の変化をデジタルオシロスコープを用いて計測した。電子顕微鏡観測やエネルギー分散型X線分光法による物性分析も併せて実施した。これら一連のICに関する教育プログラムをアンケート法によって評価した所、電子物性の理解に良好な教育効果が認められた。これらの研究成果を、事前教育やレイアウト設計教育などの先行研究結果と合わせて電子物性教育システムとして、タイで開催された関連国際学会で報告し、奨励賞を受賞した。さらに、電子物性教育システムの応用段階として、高校生がグループワークでレイアウト設計した簡単なロジック回路ICをものづくりに結び付ける取り組みを検討した。設計対象としては、飛翔体制御を選択し、カリキュラムの開発を進めた。これらの取り組みの結果、トランジスタの設計パラメータが非最適化な自作ICを用いた電子計測実験が電子物性を理解するための教育システムとして有効であることが明らかになった。今後、本教育システムの最終段階として、チームワークをベースとしたロジック回路設計、製作とそれを用いたものづくりのカリキュラムを提案していく予定である。