PN接合の理解：構造からダイオード特性まで

PN接合は現代半導体デバイスの基石であり、単一結晶を自己維持型の電圧障壁へと変え、ダイオードの振る舞いを支配します。結晶の片側を受容体原子（P型）で、もう片側を供与体原子（N型）でドープすることで、それらの界面に不動電荷領域が形成されます。この空乏層は本質的な絶縁体として振る舞いますが、まさにこの特徴がPN接合を電流の一方通行弁として機能させます。

PN接合の構造

P型ブロックとN型ブロックを単に接触させただけでは、両材料は単なる導体のまま、独自の電気的特性も正味電荷も持ちません。違いが生じるのは、単一結晶の片端をP型、もう片端をN型でドープしたときです。多数キャリアはP側で正孔、N側で電子であり、これらは格子内を自由に移動できます。

空乏層の形成

接合近傍では、電子がN側からP側へ拡散し、正孔と再結合します。N側は電子を失って正に帯電し、P側は電子を得てわずかに負になります。これにより、多数キャリアを欠いた薄い不動層——空乏層——が形成され、絶縁体のように振る舞います。

(a) 別々のP型とN型ブロックでは利用可能な特性は生じない。(b) 単一結晶をP型とN型でドープするとポテンシャル障壁が形成される。

ポテンシャル障壁とバイアス

接合部の電荷分離が内部ポテンシャル障壁を生み出します。この障壁の大きさは半導体材料に依存します：Siで約0.6–0.7 V、Geではより低い値です。外部電圧がこの障壁を超えなければ電流は流れません。

順方向バイアス

電池を、負極からN側へ電子を供給し、正極からP側の電子を引き抜くように接続すると、多数キャリアが接合部へ押し出されます。印加電圧が障壁（Siで約0.6 V）を超えると、電子と正孔が再結合し、空乏層が縮小して電流が流れます。

(a) 順方向バイアスでキャリアが接合部へ駆動され、再結合と電流流通を可能にする。(b) 逆方向バイアスでキャリアが引き離され、空乏層が拡大し電流を遮断。

逆方向バイアス

電池極性を反転させると、多数キャリアが接合部から引き離され、空乏層幅が増大します。微小なリーク電流を除いて有意な電流は流れず、動作電圧を超える耐圧を選定することで破壊的ブレークダウンからデバイスを保護します。

ダイオード特性

ダイオード記号はこの振る舞いを反映しています：矢印（アノード）がP側を指し、バー（カソード）がN側を指します。順方向電流は障壁を超えると急激に上昇します。Siダイオードでは順方向電圧（V_F）は0.6–0.7 V、Geでは約0.2 V、LEDでは数ボルトに達することもあります。

順方向電流範囲は幅広く、小信号ダイオードでミリアンペアから、パワーダイオードで数千アンペアまで及びます。逆方向リーク電流は、Si小信号デバイスで典型的に1µA未満で、温度上昇とともに増加します。ブレークダウンは高逆電圧（Siで50–800 V）で発生し、保護用の直列抵抗が必要です。

リークは、熱的な電子・正孔対生成という本質的要因と、汚染による表面伝導という要因の両方に由来します。Geダイオードはリークがはるかに大きく、今日ではほとんど使用されません。

重要なポイント

• PN接合は、単結晶半導体をP型とN型の両領域でドープして作られます。
• 接合部を越える電子拡散により、Siで約0.6–0.7 Vの電圧障壁が生じます。
• 順方向バイアスでこの障壁を克服し、接合部での再結合を通じて電流流通を可能にします。
• 逆方向バイアスで空乏層が拡大し、電流は温度依存性の微小リークに制限されます。
• 小型Siダイオードのリーク電流は1µA未満で、温度依存性があります。

さらなる読み物

• PN接合ワークシート
• 半導体における電気伝導ワークシート