pn接合の電気特性：順方向・逆方向バイアス

pn接合による空乏層の生成

p型半導体とn型半導体を接合すると、接合界面で電子とキャリアが対消滅し、キャリアのない領域である空乏層が生成します。

空乏層には取り残されたドナーイオン/アクセプターイオンによる内部電位が発生します。内部電位が障壁となり、キャリアはこれ以上空乏層を超えて拡散することが出来ず、平衡状態となります。

pn接合の順方向バイアス

pn接合に電圧をかけた場合を考えます。

順方向バイアスでは、空乏層近傍のn型半導体の電子はp型半導体側(プラス極側)に、p型半導体の正孔はn型半導体側(̠マイナス極側)に引かれます。

バイアスによって空乏層にキャリアが流れ込み、空乏層幅が狭まります。空乏層が狭まることで内部電界も小さくなり、電流が流れます。流れる電流の大きさは印可する電圧によって制御できます。

順方向バイアスのキャリア注入

順方向バイアスで電流が流れる理由をもう少し深く考えます。

• 電子

p型半導体の少数キャリアである電子はバイアス(電圧)により引き抜かれ、回路を通りn型半導体に注入されます。

• 正孔

n型半導体の少数キャリアである正孔はバイアス(電圧)により引き抜かれ、回路を通りp型半導体に注入されます(電子と逆の動き)。

注入された電子に押し出される形で、n型半導体の電子は空乏層に押し出されます。同様に、p型半導体の正孔も空乏層に押し出され、空乏層を狭めます。

押し出された電子・正孔は空乏層内で再結合し消滅します。順方向バイアスをかけている間はキャリアの注入と再結合が繰り返されます。

半導体全体で見れば、p型半導体から引き抜かれた電子がpn接合界面まで到達していることとなり、順方向バイアスでは電流が流れるのです。

pn接合の逆方向バイアス

逆方向バイアスでは、空乏層近傍のn型半導体の電子はプラス極側に、p型半導体の正孔はマイナス極側に引かれるため空乏層が広がります。

空乏層が広がり内部電界も大きくなるため、電流はより流れにくくなります。従って、pn接合に逆方向バイアスをかけても電流は流れません。

逆方向バイアスは、順方向バイアスとは反対に、p型半導体に電子を、n型半導体に正孔を注入していることになり、空乏層が広がるのです。

pn接合の整流特性

pn接合では、順方向バイアスでは電気が流れ、逆方向バイアスでは電気が流れません。つまり、pn接合では一方向にしか電流を流さないことが分かります。

この電流を一方向にのみ流す電気特性を「整流特性」と呼び、半導体の最重要特性の1つです。