Pn接合

pn接合：半導体の心臓部

pn接合は、P型半導体とN型半導体の2つの領域が接合した構造です。この接合部では、電子と正孔の挙動によって、整流作用、発光、光電効果といった重要な現象が生じます。これらの特性は、ダイオード、トランジスタを始めとする多くの半導体素子の基礎となっています。pn接合の動作原理を理解することは、現代電子機器の基礎を理解することに繋がります。

熱平衡状態と内蔵電位

P型とN型半導体を接合すると、それぞれの領域の多数キャリア（P型では正孔、N型では電子）が互いに反対側の領域へ拡散しようとします。この拡散によって接合部付近にはキャリア濃度が低い空乏層が形成されます。空乏層のN型側は正に、P型側は負に帯電し、結果として内蔵電場が生じます。この電場は、拡散しようとするキャリアを引き戻す働きをし、最終的には拡散電流とドリフト電流が釣り合い、熱平衡状態となります。

この熱平衡状態における電位差を内蔵電位（または拡散電位）と呼びます。内蔵電位の大きさは、半導体の不純物濃度やバンドギャップなどの材料特性によって決まります。シリコンのpn接合では、内蔵電位はおおよそ0.6～0.7Vになります。

空乏層の幅

空乏層の幅は、内蔵電位や半導体の不純物濃度に依存します。不純物濃度が高いほど、空乏層の幅は狭くなります。空乏層の幅は、接合容量や素子の動作速度に影響を与えるため、素子設計において重要なパラメータです。空乏層の幅の算出には、電荷中性条件とポアソン方程式の解を用います。

pn接合の電流-電圧特性

pn接合は整流作用を示します。これは、印加電圧の方向によって電流の流れやすさが大きく異なることを意味します。

順方向バイアス: P型側に正[電圧]]を印加すると、内蔵電位が小さくなり、多数キャリアの拡散が促進され、大きな電流が流れます。この時、電子と正孔の再結合によってエネルギーが放出されます。このエネルギーが光として放出されるのが発光ダイオード]や[[半導体レーザーです。
逆方向バイアス: N型側に正電圧を印加すると、内蔵電位が増大し、キャリアの拡散が抑制され、電流はほとんど流れなくなります。しかし、非常に高い電圧をかけると、ツェナー降伏やアバランシェ降伏と呼ばれる現象が起こり、急激に電流が増加します。

pn接合ダイオードの電流-電圧特性は、ショットキーダイオードとは異なり、逆方向飽和電流と指数関数的な順方向電流で特徴づけられます。この特性は、ダイオード方程式で表現されます。

pn接合と発光・受光

pn接合における電子と正孔の再結合は、発光現象（エレクトロルミネセンス）を引き起こす可能性があります。これは、再結合によって放出されるエネルギーが光として放出される現象です。LEDや半導体レーザーはこの現象を利用したデバイスです。一方、pn接合に光を照射すると、光起電力効果（内部光電効果）によって電流が発生します。フォトダイオードや太陽電池は、この現象を利用したデバイスです。発光波長や光電効果の感度は、半導体のバンドギャップに依存します。

pn接合の応用

pn接合は、現代電子機器の様々なデバイスで利用されています。主な用途として以下のものがあります。

整流作用: ダイオード、トランジスタ
空乏層: 電界効果[トランジスタ]、可変容量ダイオード
発光(エレクトロルミネセンス): 発光[ダイオード]、半導体レーザー
受光(光起電力効果): フォトダイオード、フォトトランジスタ、太陽電池

これらのデバイスは、現代社会の電子機器の基盤をなす重要な技術です。pn接合の動作原理を理解することは、これらの技術をより深く理解することに繋がります。

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