半導体のpn接合とバンド構造
半導体デバイスの基本はpn接合です。p型半導体とn型半導体を接合することで、半導体の重要な特性が発現します。
pn接合:多数キャリアの動き
p型半導体とn型半導体の接合を接合してみましょう。
p型のホールはn型方向に、n型の電子はp型方向へと拡散します。電子と正孔は界面近傍で電荷中和し消滅します(対消滅)。
空乏層の生成
キャリアの対消滅により、pn接合界面にはキャリアのない領域が生成します。これを「空乏層」と呼びます。
空乏層のp型領域には、電子を受け取り負に帯電したB原子(アクセプターイオン)が存在します。n型領域には正孔を受け取り正に帯電したP原子(ドナーイオン)が存在します。
ドナーイオンとアクセプターイオンの静電的引力により、空乏層には内部電界が発生します。
空乏層生成後の平衡状態
空乏層が生成すると、多数キャリアの拡散はストップします。なぜなら、p側には負のB原子、n側には正のP原子が存在するためです。
p型の正孔はプラスのP原子により反発され、これ以上n型側に拡散できません。反対に、n型の電子はマイナスのB原子に反発され、p型側に拡散できません。この状態を「平衡状態」と言います。
pn接合のバンド図
pn接合における平衡状態をバンド図で見てみましょう。
接合界面以外のバンド図は接合前と変わりませんが、接合界面付近ではバンドに傾きがあることが分かります。この傾きは空乏層の電界によるポテンシャル障壁(電位障壁)を表しています。
バンドの傾きは、正孔がプラスのP原子に、電子がマイナスのB原子に反発され、これ以上拡散することが出来ないことを表しています。
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