JPS6393161A - 半導体スイツチング素子 - Google Patents
半導体スイツチング素子Info
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- JPS6393161A JPS6393161A JP61238850A JP23885086A JPS6393161A JP S6393161 A JPS6393161 A JP S6393161A JP 61238850 A JP61238850 A JP 61238850A JP 23885086 A JP23885086 A JP 23885086A JP S6393161 A JPS6393161 A JP S6393161A
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- JP
- Japan
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- layers
- gate voltage
- semiconductor switching
- switching element
- conductive
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- Pending
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
- H10D48/383—Quantum effect devices, e.g. of devices using quantum reflection, diffraction or interference effects
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は電子の量子干渉効果を用いた超高速スイッチ
ング機能を有する半導体スイッチング素子に関するもの
である。
ング機能を有する半導体スイッチング素子に関するもの
である。
第4図は例えばフィジカル レビュー レターズ、55
巻、 2344頁、 (1985年)(Physica
l Review Letters Vol、55 P
、2344(1985))に示された電子の量子干渉効
果(アハラノフ・ボーム効果)を用いたスイッチング素
子を示す構成図であり、図において、1は半絶縁性Ga
As基板、2.6はAj2GaAsjli、3,5はG
aAs量子井戸層、4はAlGaAsバリア層、7a、
7b・はアロイ化されたコンタクト領域、13a、8b
は電極である。
巻、 2344頁、 (1985年)(Physica
l Review Letters Vol、55 P
、2344(1985))に示された電子の量子干渉効
果(アハラノフ・ボーム効果)を用いたスイッチング素
子を示す構成図であり、図において、1は半絶縁性Ga
As基板、2.6はAj2GaAsjli、3,5はG
aAs量子井戸層、4はAlGaAsバリア層、7a、
7b・はアロイ化されたコンタクト領域、13a、8b
は電極である。
次に動作について説明する。第4図に示した素子構造に
おいて、AJGaAs層2,4.6に挟まれた2本のG
aAs層3,5が電子の通路となる。従って第4図を模
式的に示すと第5図(a)のようになる。ここで導電チ
ャネル(すなわちC,aAS層)の厚さWは十分薄く電
子波の基本横モードのみを伝搬するものと考える。キャ
リア密度を10′。cIiとすればW〜0.1μmとな
る。第5図(a)に示す様な2本の導電チャネルの導電
率σ−ITI”は、各々の導電チャネルの透過係数によ
って下記の様に与えられる。
おいて、AJGaAs層2,4.6に挟まれた2本のG
aAs層3,5が電子の通路となる。従って第4図を模
式的に示すと第5図(a)のようになる。ここで導電チ
ャネル(すなわちC,aAS層)の厚さWは十分薄く電
子波の基本横モードのみを伝搬するものと考える。キャ
リア密度を10′。cIiとすればW〜0.1μmとな
る。第5図(a)に示す様な2本の導電チャネルの導電
率σ−ITI”は、各々の導電チャネルの透過係数によ
って下記の様に与えられる。
σ=lTlt=l t、+t、l”
−t、” +t、” +2t、tICO3φ ・(1)
ここでTは両電極間の透過係数、1.はチャネル1の透
過係数、t2はチャネル2の透過係数で、φは位相差(
チャネルlと2との電子波間の位相差)である。式(1
)より電極間の導電率σはチャネル間の位相差φによっ
て変化し得ることがわかる。
ここでTは両電極間の透過係数、1.はチャネル1の透
過係数、t2はチャネル2の透過係数で、φは位相差(
チャネルlと2との電子波間の位相差)である。式(1
)より電極間の導電率σはチャネル間の位相差φによっ
て変化し得ることがわかる。
位相差φは下記(2)式から磁界B、(アハラノフ・ボ
ーム効果)によって φ−e B y L d /’N
・・・(2)または下記(3)式から電界εW(静電界
アハラノフ・ボーム効果) φ=e am l、d/′frvx −
(3)によって変化させ得る。Lはチャネルの長さ、d
はチャネル間の距離、vXはX方向(チャネル方向)の
電子の速度、eは電子の電荷、市はブランク定数りの1
/2i (n−1t/2π)T:ある。
ーム効果)によって φ−e B y L d /’N
・・・(2)または下記(3)式から電界εW(静電界
アハラノフ・ボーム効果) φ=e am l、d/′frvx −
(3)によって変化させ得る。Lはチャネルの長さ、d
はチャネル間の距離、vXはX方向(チャネル方向)の
電子の速度、eは電子の電荷、市はブランク定数りの1
/2i (n−1t/2π)T:ある。
従って(1)〜(3)式により磁界B、または電界ε1
をON、OFFすることによりスイッチングが可能なこ
とは容易に理解できる。
をON、OFFすることによりスイッチングが可能なこ
とは容易に理解できる。
従来の磁場効果による位相変化を用いる素子では高速ス
イッチング動作は不可能である。また静電界効果による
位相変化を用いる場合も比較的高いゲート電圧が必要で
あるなどの問題点があった。
イッチング動作は不可能である。また静電界効果による
位相変化を用いる場合も比較的高いゲート電圧が必要で
あるなどの問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、磁場効果を用いる場合にも高速スイッチング
が可能で、静電界効果を用いる場合にはさらに低ゲート
電圧でON、OFF動作が可能な半導体スイッチング素
子を得ることを目的とする。
たもので、磁場効果を用いる場合にも高速スイッチング
が可能で、静電界効果を用いる場合にはさらに低ゲート
電圧でON、OFF動作が可能な半導体スイッチング素
子を得ることを目的とする。
この発明に係る半導体スイッチング素子は、導電チャネ
ルの上方、にゲート電極を設け、アハラノフ・ボーム効
果又は静電界アハラノフ・ボーム効果と上記ゲート電極
に印加する電界を変化させることとにより電流のスイッ
チングを行なうようにしたものである。
ルの上方、にゲート電極を設け、アハラノフ・ボーム効
果又は静電界アハラノフ・ボーム効果と上記ゲート電極
に印加する電界を変化させることとにより電流のスイッ
チングを行なうようにしたものである。
この発明においては、各導電チャネル内の電子分布をゲ
ート電圧の印加により変化させることにより2本の導電
チャネルで囲まれる面積が変化し、これとアハラノフ・
ボーム効果又は静電界アハラノフ・ボーム効果とにより
電流のスイッチングを行うことができる。
ート電圧の印加により変化させることにより2本の導電
チャネルで囲まれる面積が変化し、これとアハラノフ・
ボーム効果又は静電界アハラノフ・ボーム効果とにより
電流のスイッチングを行うことができる。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第1
図は本発明の一実施例に°よる半導体スイッチング素子
を示す構造図であり、図において、21.22は厚さの
異なるGaAs導電チャネルで、23はゲート電極であ
る。また第4図と同一符号は同一部分を示す。
図は本発明の一実施例に°よる半導体スイッチング素子
を示す構造図であり、図において、21.22は厚さの
異なるGaAs導電チャネルで、23はゲート電極であ
る。また第4図と同一符号は同一部分を示す。
次に本発明に係る半導体スイッチング素子の構造と動作
について述べる。第1図の導電チャネル21の厚さWl
は、もう一方の導電チャネル22の厚さW2に比べて薄
クシている。第2図(al、 (b)にゲート電圧を印
加しない場合と、印加した場合のゲート下の導電チャネ
ルの伝導帯のエネルギーポテンシャルを示す。ゲート電
圧を印加しない場合は(a)に示す様に導電チャネルの
ポテンシャルの底はチャネルの中心に対して対称となり
、電子分布も中心対称となっている。従って、導電チャ
ネル21.22によって囲まれる面積は両チャネル間の
距離d0と、その長さしの積(S、=doL)で与えら
れる。ゲート電圧を印加した場合にはポテンシャルは(
b)に示す様に勾配をもち、導電チャネル21.22の
ポテンシャルの底はもはや中心対称ではなくなり、電子
分布もチャネルの片側に片寄った状態となる。しかし導
電チャネル21は導電チャネル22に比べ薄いので電子
分布の変化は小さい、従って、ゲート電圧を印加した場
合の両チャネル間の距離はd、となり、印加しない場合
の値d0より小さくなり、両チャネルで囲まれる面積は
5t−diLとなる。
について述べる。第1図の導電チャネル21の厚さWl
は、もう一方の導電チャネル22の厚さW2に比べて薄
クシている。第2図(al、 (b)にゲート電圧を印
加しない場合と、印加した場合のゲート下の導電チャネ
ルの伝導帯のエネルギーポテンシャルを示す。ゲート電
圧を印加しない場合は(a)に示す様に導電チャネルの
ポテンシャルの底はチャネルの中心に対して対称となり
、電子分布も中心対称となっている。従って、導電チャ
ネル21.22によって囲まれる面積は両チャネル間の
距離d0と、その長さしの積(S、=doL)で与えら
れる。ゲート電圧を印加した場合にはポテンシャルは(
b)に示す様に勾配をもち、導電チャネル21.22の
ポテンシャルの底はもはや中心対称ではなくなり、電子
分布もチャネルの片側に片寄った状態となる。しかし導
電チャネル21は導電チャネル22に比べ薄いので電子
分布の変化は小さい、従って、ゲート電圧を印加した場
合の両チャネル間の距離はd、となり、印加しない場合
の値d0より小さくなり、両チャネルで囲まれる面積は
5t−diLとなる。
先ず、磁界Bアによるアハラノフ・ボーム効果と上記の
ゲート電圧の変化による電子分布の変化を用いたスイッ
チング動作について説明する。
ゲート電圧の変化による電子分布の変化を用いたスイッ
チング動作について説明する。
一定の磁界Byをスイッチング動作に関係なく与えてお
き、ゲート電圧vc、を印加することにより(2)式中
のdの値を変化させようとするのがこの場合の動作原理
の基本である。ゲート電圧ゼロの場合にφ。weB、L
do /fr=2nπ(n=o。
き、ゲート電圧vc、を印加することにより(2)式中
のdの値を変化させようとするのがこの場合の動作原理
の基本である。ゲート電圧ゼロの場合にφ。weB、L
do /fr=2nπ(n=o。
1.2.・・・・・・)となる様にBydoの値を設定
し、ゲート電圧印加時にφ+ =eB、Ld+ /′y
L= (2+1)π(n=0.1,2. ・・・・・・
)となる様にB、d、の値を設定すれば、ゲート電圧の
ON。
し、ゲート電圧印加時にφ+ =eB、Ld+ /′y
L= (2+1)π(n=0.1,2. ・・・・・・
)となる様にB、d、の値を設定すれば、ゲート電圧の
ON。
OFFにより電流のON、OFFが可能となる。
そしてこの場合は磁界は一定磁界Byをかけたままでゲ
ート電圧をON、OFFするようにしているので、高速
のスイッチング動作が可能となる。
ート電圧をON、OFFするようにしているので、高速
のスイッチング動作が可能となる。
一方、静電界アハラノフ・ボーム効果とゲート電圧の変
化による電子分布の変化を用いる場合には、(3)式中
のゲート電圧のON、OFFによりε2の値が変化する
のと同時に該ゲート電圧の変化により上述のdの変化(
ao−dt)も発生することになる。ゲート電圧がゼロ
の場合ε8=Oであるからφ。=Oとなるので(1)式
より電流は最大(すなわちON状態)となる。ゲート電
圧印加時にφ1 =e t* ldI/Sv、= (2
H+l) πとなる様にすれば、OFF状態が得られる
。
化による電子分布の変化を用いる場合には、(3)式中
のゲート電圧のON、OFFによりε2の値が変化する
のと同時に該ゲート電圧の変化により上述のdの変化(
ao−dt)も発生することになる。ゲート電圧がゼロ
の場合ε8=Oであるからφ。=Oとなるので(1)式
より電流は最大(すなわちON状態)となる。ゲート電
圧印加時にφ1 =e t* ldI/Sv、= (2
H+l) πとなる様にすれば、OFF状態が得られる
。
従ってこの場合ゲート電圧の印加により静電界アハラノ
フ・ボーム効果を生じさせ、かつ両チャネルで囲まれる
面積dLの変化を生じさせるようにしたの・で、比較的
低い電圧で電流のON、OFFが可能となる。
フ・ボーム効果を生じさせ、かつ両チャネルで囲まれる
面積dLの変化を生じさせるようにしたの・で、比較的
低い電圧で電流のON、OFFが可能となる。
なお、上記実施例では2本の厚さの異なるGaAs1電
チヤネルを用いる場合を示したが、一つの比較的厚いG
aAs層を用いても同様の効果が期待出来る。第3図は
このようにした本発明の他の実施例のポテンシャルと電
子分布の様子を示す。
チヤネルを用いる場合を示したが、一つの比較的厚いG
aAs層を用いても同様の効果が期待出来る。第3図は
このようにした本発明の他の実施例のポテンシャルと電
子分布の様子を示す。
図において、30は本実施例のGaAs量子井戸層から
なる導電チャネルである* CyaAs量子井戸層30
とこれを両側からはさんでいるAlGaAs層との界面
ポテンシャルは電子親和力のため三角ポテンシャルに近
いポテンシャル構造となり、ゼロバイアスでは(a)に
示すように電子はこの界面近傍に2箇所にわかれて分布
する。ゼロバイアスではこの2つのチャネルが上記の2
つのGaAs導電チャネルと同様の作用をする。一方、
これにゲート電圧を印加すると(blに示す様に井戸の
底のポテンシャルが傾き、電子は一方の界面に分布する
様になる。従って、2つの導電チャネルに囲まれる面積
は、このときゼロ(位相差φ1もゼロ)で電流はON状
態となる。従ってゼロバイアスでφ。= <2n+1)
πとなる様にB、d、の値を設定しておけば、バイア
ス印加のON、OFFが電流のON、OFFに対応する
ことになる。
なる導電チャネルである* CyaAs量子井戸層30
とこれを両側からはさんでいるAlGaAs層との界面
ポテンシャルは電子親和力のため三角ポテンシャルに近
いポテンシャル構造となり、ゼロバイアスでは(a)に
示すように電子はこの界面近傍に2箇所にわかれて分布
する。ゼロバイアスではこの2つのチャネルが上記の2
つのGaAs導電チャネルと同様の作用をする。一方、
これにゲート電圧を印加すると(blに示す様に井戸の
底のポテンシャルが傾き、電子は一方の界面に分布する
様になる。従って、2つの導電チャネルに囲まれる面積
は、このときゼロ(位相差φ1もゼロ)で電流はON状
態となる。従ってゼロバイアスでφ。= <2n+1)
πとなる様にB、d、の値を設定しておけば、バイア
ス印加のON、OFFが電流のON、OFFに対応する
ことになる。
さらに第3図の構造においてGaAs井戸層とAgGa
As1Wの2つの界面のどちらか一方にドーピングを行
い、(3)式のv8を変化させるように構成することも
可能である。
As1Wの2つの界面のどちらか一方にドーピングを行
い、(3)式のv8を変化させるように構成することも
可能である。
以上のように、この発明に係る半導体スイッチング素子
によれば電子波の干渉を用いる半導体スイッチング素子
において、従来、磁場または電界の強さを変化させてO
N、OFF動作を行っていたものを、ゲート電界により
電子波の伝搬チャネルを空間的に変化させ、2本の導電
チャネルにより囲まれる面積を変えるようにし、これと
アハラノフ・ボーム効果又は静電界アハラノフ・ボーム
効果とを利用して電流のスイッチングを行うようにした
ので、高速スイッチング動作が可能であるとともに、低
いゲート電圧で動作可能なものが得られる効果がある。
によれば電子波の干渉を用いる半導体スイッチング素子
において、従来、磁場または電界の強さを変化させてO
N、OFF動作を行っていたものを、ゲート電界により
電子波の伝搬チャネルを空間的に変化させ、2本の導電
チャネルにより囲まれる面積を変えるようにし、これと
アハラノフ・ボーム効果又は静電界アハラノフ・ボーム
効果とを利用して電流のスイッチングを行うようにした
ので、高速スイッチング動作が可能であるとともに、低
いゲート電圧で動作可能なものが得られる効果がある。
第1図はこの発明の一実施例による半導体スイッチング
素子の構成図、第2図は第1図の動作を説明するための
図、第3図はこの発明の他の実施例の動作を説明するた
めの図、第4図は従来の半導体スイッチング素子の構造
を示す図、第5図は第4図の従来の素子の動作を説明す
るための図である。 2.4.6はA6GaAs層、21. 22. 30は
GaAs量子井戸層、23はゲート電極である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
素子の構成図、第2図は第1図の動作を説明するための
図、第3図はこの発明の他の実施例の動作を説明するた
めの図、第4図は従来の半導体スイッチング素子の構造
を示す図、第5図は第4図の従来の素子の動作を説明す
るための図である。 2.4.6はA6GaAs層、21. 22. 30は
GaAs量子井戸層、23はゲート電極である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
Claims (3)
- (1)2本の導電チャネルを伝搬する電子波の干渉効果
を用いる半導体電流スイッチング素子において、 上記2本の導電チャネル上にその印加電圧によって上記
導電チャネルのエネルギーポテンシャルを変化させるゲ
ート電極を備え、上記ゲート電極への印加電圧を変化さ
せることとアハラノフ・ボーム効果又は静電界アハラノ
フ・ボーム効果とを用いて電流のスイッチングを行うよ
うにしたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 - (2)上記2本の導電チャネルとして厚さの異なる2つ
のGaAs量子井戸層を用いたことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の半導体スイッチング素子。 - (3)上記2本の導電チャネルとして、一つのGaAs
量子井戸層とこれを挟む2つのAlGaAs層との界面
近傍に分布する2個所の電子導電領域を用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体スイッチン
グ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61238850A JPS6393161A (ja) | 1986-10-07 | 1986-10-07 | 半導体スイツチング素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61238850A JPS6393161A (ja) | 1986-10-07 | 1986-10-07 | 半導体スイツチング素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6393161A true JPS6393161A (ja) | 1988-04-23 |
Family
ID=17036190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61238850A Pending JPS6393161A (ja) | 1986-10-07 | 1986-10-07 | 半導体スイツチング素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6393161A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5003360A (en) * | 1988-07-15 | 1991-03-26 | Fujitsu Limited | Semiconductor functional element |
| US5084743A (en) * | 1990-03-15 | 1992-01-28 | North Carolina State University At Raleigh | High current, high voltage breakdown field effect transistor |
| US5130766A (en) * | 1988-08-04 | 1992-07-14 | Fujitsu Limited | Quantum interference type semiconductor device |
| EP0475396A3 (ja) * | 1990-09-12 | 1994-04-20 | Canon Kk | |
| EP0475403A3 (ja) * | 1990-09-13 | 1994-04-20 | Canon Kk | |
| EP0471288A3 (en) * | 1990-08-09 | 1994-05-18 | Canon Kk | Electron wave coupling or decoupling devices and quantum interference devices |
| US5367274A (en) * | 1991-06-28 | 1994-11-22 | Telefonaktiebolaget L M Ericsson | Quantum wave guiding electronic switch |
| US5406094A (en) * | 1991-10-14 | 1995-04-11 | Fujitsu Limited | Quantum interference effect semiconductor device and method of producing the same |
-
1986
- 1986-10-07 JP JP61238850A patent/JPS6393161A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5003360A (en) * | 1988-07-15 | 1991-03-26 | Fujitsu Limited | Semiconductor functional element |
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| US5521735A (en) * | 1990-08-09 | 1996-05-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Electron wave combining/branching devices and quantum interference devices |
| EP0475396A3 (ja) * | 1990-09-12 | 1994-04-20 | Canon Kk | |
| EP0475403A3 (ja) * | 1990-09-13 | 1994-04-20 | Canon Kk | |
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