書記が物理やるだけ#330 pn接合

半導体素子の基本であるpn接合について。

問題

説明

pn接合とは，n型半導体とp型半導体が接している部分である。以下に接合したときに起こる現象を整理していく：

　pn接合を形成すると，正孔はpからnに，電子はnからpに拡散することで拡散電流が流れる。

→接合面で正孔と電子が再結合してキャリアが消滅し，空乏層が形成される。

→p型領域では正孔が減少することで負に帯電し，n型領域では電子が減少することで正に帯電することで，拡散電位が生じる。

→内部電場は電子と正孔をそれぞれn型・p型領域へ引き戻そうとする（ドリフト）ことで，ドリフト電流が生じる。

→拡散電流=ドリフト電流となったとき，熱平衡状態となる。

pn接合は，電流が順方向には流れやすく，逆方向には流れにくいといった性質がある。

解答

まず拡散電位について式を示し，空乏層幅についてのポアソン方程式を解いていく。

電圧ー電流特性について実際に計算すると，順方向では指数関数的な増加が見られ，逆方向では無視できるほどに小さい値となる。

逆方向に大きな電圧をかけると降伏現象が生じる。その代表例として，アバランシェ降伏（なだれ降伏）とツェナー降伏が挙げられる。

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