--- title: PN接合 (PN接合) url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/03-semiconductor/02-pn-junction locale: ja area: hardware tags: - hardware - semiconductor date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: '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。 PN接合の基本構造: 空乏層と内部電場 P領域 ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ 空乏層空間電荷領域自由キャリアなし N領域 ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ 正孔多数電子多数空間電荷領域…' --- # 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*