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PN接合 (PN接合)
基本概念
PN接合 — P型半導体とN型半導体の接合部で形成される特殊な領域であり、すべての半導素子の基礎となります。
形成原理
1. キャリアの拡散
- P領域の正孔がN領域へ拡散
- N領域の電子がP領域へ拡散
- 出会って再結合し消滅
2. 空間電荷領域の形成
- 正負電荷の蓄積 → 内部電場の形成
- 電場がキャリアの拡散を阻止
- 動的平衡に達する
3. 内部電位
Vbi ≈ 0.7V (シリコン) / 0.3V (ゲルマニウム)
ドーピング濃度と温度に依存
バイアス状態
順方向バイアス (順方向バイアス)
P領域 ─┤+├─── N領域
├──+
│ ← 外部電圧
├-+
電流方向: P → N
| 特性 | 説明 |
|---|---|
| 外部電圧 | > Vbi (約0.7V) |
| 電流 | 指数関数的増加: I = Is(e^(V/VT) - 1) |
| 抵抗 | 低い |
逆方向バイアス (逆方向バイアス)
P領域 ─┤-├─── N領域
│+|
│ ← 外部電圧
│+
├-
電流方向: ほぼゼロ (リーク電流を除く)
| 特性 | 説明 |
|---|---|
| 外部電圧 | > 0V |
| 電流 | 極めて小さい (逆方向リーク電流) |
| 抵抗 | 高い |
破壊メカニズム
逆方向電圧が大きすぎると破壊が発生します：
1. ザイナー破壊 (ザイナー破壊)
- Vz < 5V
- 強電場が共有結合を直接破壊
- 可逆、ザイナーダイオードはこの原理を利用
2. アバランシェ破壊 (アバランシェ破壊)
- Vz > 5V
- キャリアの加速による衝突イオン化
- 連鎖反応
- 可逆
寄生パラメータ
┌─────────────────────┐
│ ┌───┐ │
────┤ │ Vd│ ├────
│ └───┘ │
│ ┌─────────┐ │
│ │ Cj │ ← 接合容量
│ └─────────┘ │
└─────────────────────┘
- Cj: 接合容量 (逆方向バイアス時に顕著)
- 逆回復時間 (スイッチング特性)
エネルギーバンド図
平衡状態
エネルギー
↑
│ P領域 N領域
│ ════ ════ 価電子帯
│ ↑ ↑
│ 正孔 電子
│ │ │
│ ──────────────── フェルミ準位
│ │ ↓ │
│ │ 内部電場│
│ │ │ │
└─────┴─────┴─────┴──
順方向バイアス
- バリヤが低下
- キャリアが拡散できるようになる
逆方向バイアス
- バリヤが上昇
- 空乏層が広がる
温度特性
| パラメータ | 温度の影響 |
|---|---|
| Vd (順方向電圧降下) | 温度が1°C上昇するごとに、Vdは2mV低下 |
| Is (逆方向飽和電流) | 温度が10°C上昇するごとに、Isは2倍増加 |
| 破壊電圧 | 一般的に温度上昇に伴い、Vzは上昇 (アバランシェ) |
主要な公式
ショ클리方程式
I = Is × (e^(V/(n×VT)) - 1)
Is: 逆方向飽和電流
VT: 熱電圧 = kT/q ≈ 26mV (室温)
n: 理想因子 (1~2)
空乏層幅
W = √(2εSi × Vbi / q × (1/NA + 1/ND))
NA, ND: ドーピング濃度
キーワード: PN接合, 順バイアス, 逆バイアス, 空乏層, 内部電場, 破壊, ザイナー, アバランシェ