p-n接合

画像のシリコン原子（Si）は約4500万倍に拡大されています。 p-ドープされた半導体は、比較的導電性が高い。 n ドープ半導体も同様ですが、2 つの半導体領域の相対的な電圧によって、両者の接合部は電荷キャリアが枯渇し、非導通になります。 この非導電層を操作することで、一方向には電気を流し、反対方向には電気を流さない回路素子として、p-n接合はダイオードとしてよく使われる。 バイアスとは、p-n接合に電圧をかけることで、順バイアスは電流が流れやすい方向、逆バイアスは電流がほとんど流れない方向である

p-n接合の順バイアスおよび逆バイアス特性は、それがダイオードとして使用できることを示唆している。 p-n接合ダイオードは、電荷を一方向に流すことはできるが、逆方向には流せない。負の電荷（電子）は接合部を通ってnからpには流れやすいがpからnには流れず、正孔はその逆である。 p-n接合が順方向バイアスの場合は、p-n接合の抵抗が小さくなるため、電荷が自由に流れる。

平衡（ゼロバイアス）編

p-n接合では、外部からの印加電圧がない場合、接合に電位差が生じる平衡状態に達する。 この電位差は内蔵電位V b i {displaystyle V_{rm {bi}}} と呼ばれる。

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接合部では、n型の自由電子がp型の正孔に引き寄せられる。 これらはp型に拡散し、正孔と結合し、互いに打ち消し合う。 同様に、p型の正孔はn型の自由電子に引き寄せられる。 正孔はn型に拡散し、自由電子と結合し、互いに打ち消し合う。 n型の正電荷を帯びたドナー、ドーパント原子は、結晶の一部であり、動くことはできない。 そのため、n型では、接合部付近が正に帯電する。 p型の負電荷を帯びたアクセプタ・ドーパント原子は、結晶の一部であり、動くことができません。 そのため、p型では、接合部付近の領域がマイナスに帯電する。 その結果、接合近傍の領域は、これらの帯電した領域が作り出す電界によって、移動電荷を接合から反発させるように作用する。 5598>

図 A. ゼロバイアス電圧を印加した熱平衡状態の p-n 接合。 電子と正孔の濃度はそれぞれ青線と赤線で報告されている。 灰色の領域は電荷が中性である。 薄赤色の領域は正に帯電している。 水色の領域は負に帯電している。 電場は下部に示されており、電子と正孔にかかる静電気力と、拡散によって電子と正孔が移動しやすい方向が示されている。 (実際には対数濃度曲線は電界強度によって傾きが変化し、より滑らかになるはずである。)

空間電荷領域が作り出す電界は、電子と正孔の両方に対して拡散過程に対抗する。 空間電荷を多く発生させる傾向のある拡散過程と、拡散に対抗する傾向のある空間電荷によって発生する電場という2つの現象が同時に起こるのである。 図Aは、平衡状態でのキャリア濃度プロファイルを青線と赤線で示したものである。 5598>

図B ゼロバイアス電圧を印加した熱平衡状態のp-n接合。 接合部の下に、電荷密度、電界、電圧のプロットがある。 (対数濃度曲線は、実際には電圧のように滑らかであるべきです。)

空間電荷領域は、多数キャリア拡散によってカバーされないままになっている固定イオン (ドナーまたはアクセプタ) によって正味電荷が提供されているゾーンです。 平衡に達したとき、電荷密度は表示されたステップ関数で近似される。 実際、図AのY軸は対数スケールなので、この領域では多数キャリアがほぼ完全に枯渇し（純ドーピングレベルに等しい電荷密度を残す）、空間電荷領域と中性領域の間のエッジは非常にシャープになっている（図B、Q（x）グラフを参照）。 空間電荷領域は、p-n界面の両側で同じ大きさの電荷を持つため、この例ではドーピングの少ない側（図AとBではn側）に大きく広がっていることがわかります。

Forward biasEdit

See also: p-n diode § Forward bias

順バイアスでは、p型はプラス端子、n型はマイナス端子に接続されます。

PN接合動作における順バイアスモード、減少空隙幅を示す。 パネルはエネルギーバンド図、電界、および正味の電荷密度を示しています。 空乏幅の減少は，順方向バイアスの増加に伴い露出するドーパントが減少するため，電荷プロファイルの縮小から推測することができます。 このように電池を接続すると、p型領域の正孔とn型領域の電子が接合部に押し出され、空乏域を中和し始め、その幅が狭くなります。 このとき、p型材料にかかる正の電位が正孔を、n型材料にかかる負の電位が電子をはじく。 p側とn側の電位の変化は減少するか、符号が切り替わる。 順方向バイアス電圧の増加に伴い、空乏領域は最終的に十分に薄くなり、領域の電場がp-n接合の電荷キャリアの動きを打ち消すことができなくなり、その結果として電気抵抗が減少する。 p-n接合を通過してp型材料に入った電子（またはn型材料に入った正孔）は、近くの中性領域へ拡散する。

多数キャリア（n型材料の電子またはp型材料の正孔）だけが、半導体を巨視的な長さで流れることができるのです。 このことを念頭に置いて、接合を横切る電子の流れを考えてみよう。 順方向バイアスは、電子をN側からP側へ押し出す力を発生させる。 順方向バイアスをかけると、空乏領域が狭くなり、電子は接合を通過してp型材料に注入される。 しかし、電子は正孔と再結合することがエネルギー的に有利であるため、いつまでもp型材料中を流れ続けることはない。 電子が再結合するまでの平均的な長さを拡散長といい、通常、マイクロメートルのオーダーである。

電子はp型物質にわずかな距離しか侵入しないが、正孔（多数キャリア）が反対方向に流れ始めるので、電流は途切れることなく続く。 電子と正孔の電流の和である総電流は、空間的に一定である。 p型領域からn型領域への正孔の流れは、NからPへの電子の流れとまったく同じです（電子と正孔の役割が入れ替わり、すべての電流と電圧の符号が逆になります）

したがって、ダイオードを流れる電流の巨視的には、電子はn型領域を通って接合に向かって流れ、正孔はp型領域を通って逆に接合に向かって流れ、2種のキャリアが接合近辺で絶えず再結合しています。 電子と正孔は反対方向に移動しますが、電荷も反対なので、全体の電流は必要なようにダイオードの両側で同じ方向になります。

ショックレーダイオードの式は、アバランシェ（逆バイアス導電）領域の外側のpn接合の順バイアス動作特性をモデル化しています。

Reverse biasEdit

逆バイアス状態のシリコンpn接合。

p型領域をバッテリの負端子に、n型領域を正端子に接続すると逆バイアスに相当する。 ダイオードが逆バイアスされると、カソードの電圧はアノードの電圧より比較的高くなります。 そのため、ダイオードが壊れるまでほとんど電流は流れない。 5598>

p型材料が電源のマイナス端子に接続されているため、p型材料の「穴」が接合部から引き離され、帯電したイオンが残り、空乏領域の幅が大きくなるのです。 同様に、n型領域はプラス端子に接続されているため、電子は接合部から引き離され、同様の効果がある。 このため、電圧障壁が高くなり、電荷キャリアの流れに対する抵抗が大きくなり、p-n接合を通過する電流が極小になる。 5598>

逆バイアス電圧が上昇すると、空乏領域電界の強度が増加します。 電界強度が臨界レベルを超えて増加すると、p-n 接合の空乏領域が破壊され、通常はツェナーまたはアバランシェブレークダウンプロセスのいずれかによって電流が流れはじめます。 5598>

この効果は、ツェナーダイオード・レギュレータ回路で有利に使用されています。 ツェナーダイオードは耐圧が低いのが特徴です。 これは、カソードの電圧がアノードの電圧より約5.6V以上高くならない（電流によって若干上昇する）ことを意味し、それ以上高くなるとダイオードが破壊し、導通するためである。 これは事実上、ダイオードにかかる電圧を制限しています。

逆バイアスのもう一つの応用はバリキャップダイオードで、空乏ゾーンの幅（逆バイアス電圧で制御）がダイオードの静電容量を変えます。