技術のキホン

3分でわかる技術の超キホン pn接合とは?P型/N型半導体の基礎知識と接合の原理

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pn接合を分かりやすく解説

今回は、多くの半導体デバイスの基本的な原理である「pn接合」について説明します。

 

1.pn接合とは? P型半導体とN型半導体とは?

「pn接合」とは、「P型半導体」と「N型半導体」を接触させたときの接触面をいいます。

図1にpn接合のイメージを示します。

pn接合
[図1 pn接合]

 

P型半導体

「P型半導体」は、キャリアが正孔である半導体です。
そのため、正孔の数は電子の数よりも多く、電子が足りない状態になっています。

例えば、Ⅳ族元素に対してⅢ族元素をドープした場合、Si は最外殻電子が4個であるのに対し、Ⅲ族元素は最外殻電子が3個であるため、P型半導体になります。

具体例として、SiにGaをドープすると、GaはSiから価電子を受け取ります。
Gaのように電子を受け取るための不純物を「アクセプタ」と呼びます。
GaAsなどのⅢ-V族の化合物半導体に対して2価の元素(例えばZn)をドープしてP型半導体にすることもあります。

N型半導体

「N型半導体」は、キャリアが電子である半導体です。
そのため、正孔よりも電子の数が多く、電子が余った状態になっています。
Ⅳ族元素に対してⅤ族元素をドープした場合には、不純物は電子を生じさせるため「ドナー」と呼びます。

 

2.pn接合での電子の動き

P型半導体とN型半導体とを接触させると、図1に示したように、接合面ではP型半導体中の正孔がN型半導体に拡散し、同時にN型半導体中の電子P型半導体に拡散します。

拡散しはじめは、N型半導体にある余分な電子とP型半導体にある余分な正孔が結合して消滅します。
時間が経ち、結合が増えるにつれて、図2(a)に示すように、P型半導体は負に帯電し、N型半導体は正に帯電します。
その結果、図2(b)に示すように、N型半導体からP型半導体方向に電界が発生します。
すなわちP型半導体は、N型半導体に比べてエネルギーが高くなります。

そのためpn接合付近ではエネルギーの段差が生じ、キャリアが存在しない空乏層ができます。

空乏層
[図2 (a) P型半導体とN型半導体の帯電]


[図2 (b) N型半導体からP型半導体方向に電界発生]

 

3.pn接合が持つ特性「整流作用」

「整流作用」とは、電流を一定方向にのみ流す機能です。

pn接合において、「順方向バイアス」と呼ばれている、P型半導体側を正極、N型半導体側に負極をつなげると電流が流れ続けます。一方で、「逆方向バイアス」と呼ばれている、P型半導体側を負極、N型半導体側に正極をつなげると電流は流れません。

このように、半導体の特長である整流作用は、pn接合によるものです。
 

(日本アイアール株式会社 N・S)

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