ダイオード

【ダイオード】空乏層が出来る原理

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空乏層ができる仕組み

接合する前

接合する前

これからダイオードの空乏層ができる仕組みを説明するにあたり、変数がいくつか出てきます。
それを最初に紹介します。
EC:伝導帯の最低エネルギー
EV:過電子帯の最大エネルギー
ED:ドナー準位のエネルギー
EA:クセプタ準位のエネルギー
EF:フェルミ準位のエネルギー

①P型半導体とN型半導体を接合

空乏層、電界形成

まず、P型半導体とN型半導体が接合した時に何がおきるのかを考えてみます。

N型半導体は電子の濃度が多い半導体です。
そのため、N型半導体から電子がP型半導体の方に拡散します。
この時、N型半導体から電子がなくなるので、イオン化されたドナー(正の固定電荷)が残ります。

P型半導体は電子の濃度が低い半導体(正孔が多い半導体)です。
そのため、P型半導体から正孔がN型半導体の方に拡散します。
この時、P型半導体から正孔がなくなるので、イオン化されたアクセプタ(負の固定電荷)が残ります。

PN接合部では、電子と正孔が互いに拡散して結びつく拡散電流が生じます。

②空乏層、電界形成

P型半導体とN型半導体を接合

N型半導体では電子が、P型半導体では正孔がなくなりました。そのため、多数キャリアが不足した空乏層が発生し、空乏層内に電界(内蔵電場)が発生する現象が起こります。
電界(内蔵電場)の発生に伴い、内蔵電場に従ってキャリアが動くドリフト電流も発生します。

電界(内蔵電場)によって、P型半導体の正孔がN型半導体に拡散しなくても電界Eで阻止されて押し返されてしまう(イオン化されたドナーがあるのでね)。N型半導体の電子がP型半導体に拡散しなくても電界Eで阻止されて押し返されてしまう(イオン化されたアクセプタがあるのでね)。

このように、空乏層内では固定電荷の作る電界により、キャリアは押し返されて空乏してしまうので、空乏層と呼ばれている。(空乏層外に電界が発生しないのは平行平板コンデンサに誘起された面状電荷を想像してください)

③電位差発生

空乏層の両端には電位差(拡散電位)が発生しています。PN接合の内蔵電場はこの電気二重層の発生に伴うものであり、それによって発生する静電ポテンシャルの差を拡散電位または内蔵電位と言います。例えばシリコン(禁制帯幅1.17eV)のpn接合の場合、内蔵電位は0.6~0.7V程度となるのです。

電位差と釣り合わせようと内部でキャリアが再結合するため、この状態では両端電圧はゼロとなる。熱平衡状態においては、拡散電流とドリフト電流が釣り合い、フェルミ準位は一定となる。熱平衡状態は電気二重層による静電ポテンシャルと、電子の濃度差に伴う化学ポテンシャル(電子濃度のポテンシャル)が釣り合った状態と言うことができる。このため熱平衡状態においては、pn接合両端の電圧はゼロとなります。

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順バイアス

順バイアス

では順バイアスをかけてみましょう。なお、アノード(陽極)側に正電圧、カソード(陰極)側に負電圧を印加することを「順方向バイアスをかける」と言います。

N型半導体に負電圧、P型半導体に正電圧を印加するため、N型半導体に電子を, P型半導体に正孔を注入する(P型半導体から電子が引き抜かれる)ことになります。

その結果、N型半導体では電子がP型半導体では正孔が過剰となります。

そのため、電子が過剰になるので、電子はP側半導体へ入り込もうとします。正孔が過剰になるので、正孔はN側半導体へ入り込もうとします。

最終的に空乏層は縮小・消滅します。 つまり, 順バイアスによって作られる電界が固定電荷で作られている電界を弱めているのです。
P型半導体から正孔がN型半導体に、N型半導体から電子がP型半導体に拡散し、拡散電流が流れる。これが順バイアスで順方向電流が流れる仕組みです。

ダイオード全体でみると、この動作は、電子がカソードからアノードに流れる、すなわち電流がアノードからカソードに流れていることになります。順方向バイアスをかけている場合、バイアス電圧の上昇に伴い、電流は急激に増加します。さらに電子と正孔の再結合に伴って、これらが持っていたエネルギーが熱、もしくは光として放出されます。なお、順方向電流を流すために必要な電圧を順方向電圧降下と呼びます。

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