pn接合とは?ダイオードの仕組みを解説

電気・電子
ヤベ
ヤベ
今日はpn接合について説明するでー。
 
pn接合ダイオードは主にダイオードに使われていて、FETやIGBTにも応用されているんや。
 
まずは、pn接合で何がおこっているのか理解しようや。

 

pn接合はp型半導体とn型半導体をくっつけたもの

いきなり、pn接合と言われても「なんのこと??」となると思いますが、難しく考えなくて大丈夫です。pn接合は(pn junction)は、名前の通りp型半導体とn型半導体を接合したもののことを指します。

 
半導体とは?真性半導体、不純物半導体(p型、n型)の違いも一緒に解説でも説明していますが、p型半導体は多数キャリアがホール、少数キャリアが電子、n型半導体は多数キャリアが電子、少数キャリアがホールという特徴をもっています。

 
これら二つを組み合わせるだけで、互いの影響により性質が変化し、ある条件では電気を流したり流さなかったりすることができます。

 
pn接合はFETやIGBTに応用されていますが、ダイオードを用いて説明することがわかりやすいので、ダイオードに電圧をかけた場合について考えてみましょう。

 

pn接合は整流作用を持っている

pn接合ダイオードは、p側がアノード、n側がカソードとしたダイオードで、整流作用を持っています。(整流作用とは電流の流れを整えることですね)

 
前述しましたが、この整流作用によりある条件での電流の流れを制御することができ、電流の流れの大小はpn接合ダイオードに印可する電圧の向きによって決まります。

 
この理由を、pn接合ダイオードの3つの状態から確認していきましょう。

①電圧を印加しないとき
②逆方向電圧を印加したとき
③順方向電圧を印加したとき

 

ヤベ
ヤベ
ダイオードって順方向だけ電流を流すことができて、逆方向は電流を流すことができんやろ?
 
これがまさにpn接合を利用したもんなんや。印加される電圧の向きによって、pn接合ダイオード内部で起こる現象が違うんや。
 
それを説明していくで!

 

電圧を印加しないときでも互いに影響にする

 

 

 
まず最初に、p型半導体とn型半導体を接合し、電圧を全く印可しない場合を考えてみましょう。

 
図のように、多数キャリアとしてp型半導体にはホールが、n型半導体には電子が存在しています。p型半導体とn型半導体を接合すると、キャリア濃度を一定にしようと拡散が起こり、ホールがn側、電子がp側に移動します。

 
「ホールがn側、電子がp側に移動したらなんなんだ??」とギモンに感じますよね。実は拡散によってpn接合部にはとても不思議な現象がおきているんです。

 
電子とホールが移動することで、これら二つが結合されます。そして、p型半導体接合部では電子が過剰になり負電荷が蓄えられている状態、n型半導体接合部では電子が不足して正電荷が蓄えられている状態となります。

 
半導体内部に正電荷と負電荷が存在するので、接合部分では電界が発生し、これにより、ホールと電子の移動は接合面だけに留まります。接合面では、キャリア(ホールと電子)が存在しなくなり空乏層と呼ばれる領域となります。

 

拡散はコーヒーにミルクを入れた時を考えてみましょう。ある特定の場所にミルクを入れた場合、なにもしなくてもミルクを入れていない(濃度が低い)ところに自然と広がっていきますよね。

 
これと同じようにpn接合を行った時も、ホールと電子それぞれが濃度の低いところに移動する作用が働きます。

 

ヤベ
ヤベ
空乏層は電圧を印可しなくても発生するんやで~

 

逆方向電圧を印加したときは空乏層が広まる

 
次に逆方向電圧を印可した場合について考えてみましょう。

 
逆方向電圧とは、n型半導体に+電位を印可したとき、つまりダイオードでいうカソード側に+電位を印可した場合と同じです。カソード側からアノード側に電流が流れない理由は、これもまたpn接合の性質によるものです。その仕組みについて説明します。

 
まず、pn接合の状態で空乏層ができているのは、先程の説明の通りです。逆方向電圧を印可すると、p型半導体接合面に負電荷、n型半導体接合面に正電荷が増えます。

 
これにより、電圧が通常通り印可されていない時と同様に半導体内部に電界が発生します。

 
このときの電界は、電圧印可なしの場合に比べて強い電界となるので、空乏層が広くなりキャリアの移動がより困難になります。そのため、電流はほんの少ししか流れない状態となり、このときの流れる電流を逆方向電流といいます。

 
この逆方向電流は、ダイオードのデータシートなも記載されているため、部品選定を行う際にはみてみるとよいでしょう。

 

順方向電圧を印加すると空乏層が狭まる

 
次に順方向電圧を印可する場合を考えましょう。

 
順方向電圧とはp型半導体に+電位を印可した場合、ダイオードで考えると、アノード側に+電位を印可した場合と同じです。

 
順方向電圧を印可することで、接合面にある正電荷負電荷が少なくなって、半導体内部の空乏層が狭くなり電流が流れやすい状態となります。

 
順方向電圧をかけたときに流れる電流を順方向電流といいます。

 

ヤベ
ヤベ
アノード側からカソード側に流れる電流を順方向電流、カソード側からアノード側に流れる電流を逆方向電流というんや

 

筆者のつぶやき

pn接合は重要な半導体の基本となります。学生時代に初めて授業で習ったときには全く理解できず苦労した記憶があります。

 
当時の知り合いが試験の面接でpn接合の説明を求められた経験もあるみたいなので、半導体の分野の大学、大学院に進みたい方は理解しておくと良いと思います。

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