PN接合とは何か

PN接合とは何ですか？

PN接合の定義

PN接合は、単一結晶内のP型半導体材料とN型半導体材料の間の界面を指します。

PN接合を作る

次に、このPN接合がどのように作られるかを見てみましょう。P型半導体には多数の空孔があり、N型半導体には多数の自由電子があります。

また、P型半導体には三価の不純物原子が多数存在し、理想的にはP型半導体の各空孔は一つの三価不純物原子に関連しています。

ここで「理想的」という言葉を使うのは、結晶内での熱的に生成された電子と空孔を無視しているためです。電子が空孔を埋めるとき、その空孔に関連する不純物原子は負イオンになります。

なぜなら、それには余分な電子が含まれているからです。三価の不純物原子が電子を受け入れて負に帯電するため、この不純物は受主不純物と呼ばれます。不純物原子は結晶構造内で半導体原子と同じ数だけ置き換えられ、結晶構造の中に位置します。

したがって、不純物原子は結晶構造内で静的です。これらの三価不純物原子が自由電子を受け入れて負イオンになると、イオンは依然として静的です。同様に、半導体結晶に五価の不純物をドーピングすると、各不純物原子は結晶構造内の半導体原子を置き換え、これらの不純物原子も結晶構造内で静的になります。

結晶構造内の各五価不純物原子は、最も外側の軌道に簡単に自由電子として取り除くことができる余分な電子を持っています。その電子を取り除くと正に帯電したイオンになります。

五価の不純物原子が半導体結晶に電子を提供するため、これらはドナー不純物と呼ばれます。静的な受主およびドナー不純物原子について議論するのは、これらがPN接合の形成において重要な役割を果たすからです。

P型半導体がN型半導体と接触すると、N型半導体の接合部近くの自由電子は拡散によりP型半導体に移動します。これは、N型領域の自由電子濃度がP型領域よりもはるかに高いからです。

P領域に来た電子は最初に見つかる空孔と結合します。つまり、N型領域から来た自由電子は接合部近くの受主不純物原子と結合します。この現象により負イオンが生成されます。

P型領域の接合部近くの受主不純物原子が負イオンになると、接合部に隣接するP領域に負の静的イオン層が形成されます。

N型領域の自由電子は、接合部から離れたN型領域の自由電子よりも先にP型領域に移動します。これにより、接合部に隣接するN型領域に正の静的イオン層が形成されます。

N型領域で十分に厚い正イオン層とP型領域で十分に厚い負イオン層が形成されると、N型領域からP型領域への電子の拡散は停止します。なぜなら、自由電子の前に負の壁があるからです。これらの両方のイオン層がPN接合を形成します。

一方の層が負に帯電し、もう一方の層が正に帯電しているため、接合部全体に電位が形成され、ポテンシャルバリアとして機能します。このバリア電位は、半導体材料、ドーピングレベル、温度によって異なります。

ゲルマニウム半導体の場合、25℃でバリア電位は0.3Vであり、シリコン半導体の場合、同じ温度で0.7Vです。

このポテンシャルバリアには自由電子や空孔は含まれていません。なぜなら、この領域ではすべての自由電子が空孔と結合しており、荷電キャリア（電子または空孔）が枯渇しているため、これを枯渇領域とも呼びます。実際には、一定の厚さの枯渇層が形成された後でも自由電子と空孔の拡散は停止しますが、この枯渇層の厚さは非常に小さく、数ミクロンメートルの範囲です。