P-N接合

下の図（a）でP型半導体のブロックをN型半導体のブロックと接触させた場合、結果は価値がありません。 2つの導電性ブロックが互いに接触しており、固有の特性は示されていません。問題は、2つの別個の別個の結晶体です。電子の数は、両方のブロックの陽子の数によってバランスがとられています。したがって、どちらのブロックにも正味の電荷はありません。

ただし、下の図（b）の一方の端にP型材料、もう一方の端にN型材料を使用して製造された単一の半導体結晶には、いくつかの固有の特性があります。 Pタイプの材料には、正の多数電荷キャリアである正孔があり、結晶格子の周りを自由に移動できます。 Nタイプの材料には、可動性の負の多数キャリア、電子があります。接合部の近くでは、N型材料の電子が接合部全体に拡散し、P型材料の正孔と結合します。接合部近くのP型材料の領域は、電子が引き付けられるため、正味の負電荷を帯びます。電子はN型領域を離れたため、局所的な正電荷を帯びます。これらの電荷間の結晶格子の薄層は多数キャリアが枯渇しているため、空乏領域として知られています。 。非導電性の真性半導体材料になります。事実上、導電性のP領域とNドープ領域を分離するほぼ絶縁体があります。

（a）接触しているPおよびN半導体のブロックには、利用可能な特性はありません。 （b）P型およびN型不純物がドープされた単結晶はポテンシャル障壁を発生させます。

PN接合でのこの電荷の分離は、ポテンシャル障壁を構成します。このポテンシャル障壁は、接合部を導通させるために外部電圧源によって克服する必要があります。接合部とポテンシャル障壁の形成は、製造プロセス中に発生します。ポテンシャル障壁の大きさは、製造に使用される材料の関数です。シリコンPN接合は、ゲルマニウム接合よりもポテンシャル障壁が高くなります。

PN接合バイアス

下の図（a）では、バッテリーはマイナス端子がN型材料に電子を供給するように配置されています。これらの電子は接合部に向かって拡散します。正の端子はP型半導体から電子を取り除き、接合部に向かって拡散する正孔を生成します。バッテリー電圧が接合電位（Siで0.6V）を克服するのに十分な大きさである場合、N型電子とPホールが結合して互いに消滅します。これにより、格子内のスペースが解放され、より多くのキャリアが接合部に向かって流れるようになります。したがって、N型およびP型の多数キャリアの電流が接合部に向かって流れます。接合部での再結合により、バッテリ電流がPN接合ダイオードを流れることができます。このようなジャンクションは、順方向にバイアスされていると言われています。 。

（a）バッテリーの順方向バイアスは、キャリアを接合部に向かって反発させます。接合部では、再結合によってバッテリー電流が発生します。 （b）逆バッテリバイアスは、接合部から離れて、バッテリ端子に向かってキャリアを引き付けます。空乏領域の厚さが増加します。持続的なバッテリー電流は流れません。

上の図のようにバッテリーの極性が逆になっている場合（b）、多数キャリアが接合部からバッテリー端子に向かって引き付けられます。正のバッテリー端子は、接合部から離れてN型多数キャリア（電子）を引き付けます。負の端子は、接合部から離れたP型多数キャリア、正孔を引き付けます。これにより、非導電性の空乏領域の厚さが増加します。マジョリティキャリアの再結合はありません。したがって、伝導はありません。このバッテリー極性の配置は、逆バイアスと呼ばれます。 。

ダイオード

ダイオードの回路図記号は、（a）のドープされた半導体バーに対応する下の図（b）に示されています。ダイオードは一方向です 端末。電流は、順方向バイアスに対応して、矢印に沿って一方向にのみ流れます。ダイオード記号のカソード、バーは、N型半導体に対応します。アノードの矢印は、P型半導体に対応しています。この関係を覚えておくには、 N シンボルのot-pointing（バー）は N に対応します -タイプの半導体。 P 軟膏（矢印）は P に対応します -タイプ。

（a）順方向にバイアスされたPN接合、（b）対応するダイオードの回路図記号（c）シリコンダイオードのI対Vの特性曲線。

上の図（a）のようにダイオードが順方向にバイアスされている場合、電圧が0 Vから増加すると、電流はわずかに増加します。シリコンダイオードの場合、電圧が上の図（c）の0.6 Vに近づくと、測定可能な電流が流れます。 ）。電圧が0.6Vを超えて増加すると、膝の後で電流が大幅に増加します。電圧を0.7Vをはるかに超えて上げると、ダイオードを破壊するのに十分な電流が発生する可能性があります。順方向電圧VFは、半導体の特性です。シリコンの場合は0.6〜0.7 V、ゲルマニウムの場合は0.2 V、発光ダイオード（LED）の場合は数ボルトです。順方向電流の範囲は、点接触ダイオードの場合は数mA、小信号ダイオードの場合は100 mA、パワーダイオードの場合は数十または数千アンペアです。

ダイオードが逆バイアスされている場合、真性半導体のリーク電流のみが流れます。これは、上の図（c）の原点の左側にプロットされています。この電流は、シリコン小信号ダイオードの最も極端な条件では1 µAまでしか高くなりません。この電流は、ダイオードが故障するまで、逆バイアスの増加に伴ってそれほど増加しません。ブレークダウン時には、電流が大幅に増加するため、高い直列抵抗が電流を制限しない限り、ダイオードは破壊されます。これを防ぐために、通常、どの印加電圧よりも高い逆電圧定格のダイオードを選択します。シリコンダイオードは通常、50、100、200、400、800V以上の逆ブレークダウン定格で利用できます。電圧標準として使用するために、数ボルトのより低い定格のダイオードを製造することが可能です。

シリコンダイオードの1µA未満の逆リーク電流は、真性半導体の伝導によるものであると前述しました。これは理論的に説明できる漏れです。熱エネルギーは、再結合までリーク電流を伝導する電子正孔対をほとんど生成しません。実際には、この予測可能な電流はリーク電流の一部にすぎません。リーク電流の多くは、半導体表面の清浄度の欠如に関連する表面伝導によるものです。両方のリーク電流は温度の上昇とともに増加し、小さなシリコンダイオードの場合はµAに近づきます。

ゲルマニウムの場合、リーク電流は桁違いに大きくなります。今日、ゲルマニウム半導体はめったに使用されないため、これは実際には問題ではありません。

レビュー：

• PN接合は、接合部にP型とN型の両方の領域が近接している単結晶半導体片から製造されます。
• 接合部のN側から接合部のP側で消滅した正孔への電子の移動により、バリア電圧が生成されます。これはシリコンで0.6〜0.7 Vであり、他の半導体によって異なります。
• バリア電圧が克服されると、順方向にバイアスされたPN接合に電流が流れます。外部から印加された電位により、多数キャリアが再結合が発生する接合部に向かって押し出され、電流が流れます。
• 逆バイアスされたPN接合はほとんど電流を流しません。適用された逆バイアスは、接合部から離れて多数キャリアを引き付けます。これにより、非導電性の空乏領域の厚さが増加します。
• 逆バイアスされたPN接合は、温度に依存する逆リーク電流を示します。これは、小さなシリコンダイオードのµA未満です。

関連するワークシート：

• PN接合ワークシート
• 半導体ワークシートの電気伝導