PN接合ダイオードとは何か

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PN接合ダイオードとは何ですか？

PN接合ダイオード

PN接合ダイオードは電子工学の基本的な部品です。このタイプのダイオードでは、半導体の一側が受主不純物（P型）でドープされ、もう一側がドナー不純物（N型）でドープされます。このダイオードは「ステップグレーディング」または「線形グレーディング」接合に分類することができます。

ステップグレーディングPN接合ダイオードでは、両側のドーパント濃度は接合まで均一です。線形グレーディング接合では、ドーパント濃度は接合からの距離にほぼ比例して変化します。電圧を適用しない場合、自由電子はP側へ、ホールはN側へ移動し、そこで再結合します。

接合近くのP側の受主原子は負イオンとなり、N側のドナー原子は正イオンとなります。これにより、電子とホールのさらなる拡散を防ぐ電場が形成されます。このイオンが露出した領域は耗尽領域と呼ばれます。

pn接合ダイオードに順方向バイアス電圧をかけると、バッテリーの正極がP側に接続される場合、耗尽領域の幅が減少し、キャリア（ホールと自由電子）が接合を越えて流れます。逆方向バイアス電圧をかけると、耗尽領域の幅が増加し、接合を越えてチャージが流れなくなります。

PN接合ダイオードの特性

ドナー濃度NDとアクセプタ濃度NAを持つpn接合を考えます。すべてのドナー原子が自由電子を提供し、正のドナーイオンになり、すべてのアクセプタ原子が電子を受け入れ、対応するホールを作り、負のアクセプタイオンになることを仮定します。つまり、自由電子（n）とドナーイオン（ND）の濃度は同じであり、同様に、ホール（p）とアクセプタイオン（NA）の濃度も同じです。ここでは、意図しない不純物や欠陥によって生成されたホールと自由電子を無視しています。

pn接合を越えて、n型側のドナー原子から提供された自由電子はP型側に拡散し、ホールと再結合します。同様に、P型側のアクセプタ原子によって生成されたホールはn型側に拡散し、自由電子と再結合します。この再結合過程の後、接合を越えてチャージキャリア（自由電子とホール）が不足します。自由チャージキャリアが不足する接合を越えた領域は耗尽領域と呼ばれます。

自由チャージキャリア（自由電子とホール）がないため、n型側のドナーイオンとP型側のアクセプタイオンが露出します。これらの正の露出したドナーイオンがn型側の接合に隣接し、負の露出したアクセプタイオンがP型側の接合に隣接することで、pn接合に空間電荷が生じます。この空間電荷によって接合に発生するポテンシャルは拡散電圧と呼ばれます。pn接合ダイオードの拡散電圧は次の式で表すことができます。拡散電位は、n型側からP型側への自由電子のさらなる移動とP型側からn型側へのホールの移動に対するポテンシャル障壁を作ります。つまり、拡散電位はチャージキャリアが接合を越えることを防ぎます。

この領域は自由チャージキャリアが不足しているため高抵抗です。耗尽領域の幅は適用されるバイアス電圧に依存します。耗尽領域の幅とバイアス電圧との関係はポアソン方程式で表すことができます。ここで、εは半導体の誘電率、Vはバイアス電圧です。従って、順方向バイアス電圧を適用すると、耗尽領域の幅、つまりpn接合バリアが減少し、最終的には消失します。

従って、順方向バイアス条件下で接合を越えるポテンシャルバリアがない場合、自由電子はP型領域に入り、ホールはn型領域に入り、そこで再結合し、各再結合で光子を放出します。その結果、ダイオードを通る順方向電流が流れます。pn接合を越える電流は次のように表されます。ここで、Vはpn接合に適用される電圧、Iはpn接合を越える全電流です。

Isは逆方向飽和電流、eは電子の電荷、kはボルツマン定数、Tはケルビン温度です。

下のグラフはPN接合ダイオードの電流-電圧特性を示しています。Vが正の場合、接合は順方向バイアスされ、Vが負の場合、接合は逆方向バイアスされます。Vが負でVTH未満の場合、電流は最小限です。しかし、VがVTHを超えると、電流は急激に大きくなります。VTHはしきい値またはカットイン電圧と呼ばれています。シリコンダイオードの場合、VTH = 0.6 Vです。点Pに対応する逆方向電圧では、逆方向電流が急激に増加します。この特性の部分はブレイクダウン領域と呼ばれます。