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。