ｐｎ接合とダイオード

この章と次の章では、バイポーラについての話をします。

これらの章では、不純物あるいはエネルギー準位などといったことは忘れて大丈夫です。

重要なのは、ｐ型半導体においては正孔という、いわば仮想的に正の電荷を持つ粒子がキャリアとなり、逆にｎ型半導体においては自由電子という負の電荷を持つ粒子がキャリアとなるということです。

そんなｐ型半導体とｎ型半導体とを、外部と切り離した形で接触させます。

最初はｐ型半導体もｎ型半導体も、その中では電気的に釣り合いがとれています。

すなわちｐ型半導体は不純物自体は全体で負の電荷を持ち、その分だけの正孔が発生しているわけです。

一方ｐ型半導体は、自由電子が発生した分だけ不純物自体は全体で正の電荷を持っているわけです。

これらの不純物は、結晶の中に取り込まれているので動きません。

さて電界がない場合、正孔も自由電子も、ランダムウォークのように動きます。

すなわち拡散します。

ｐｎ接合部においては、ｐ型半導体の正孔の一部がｎ型半導体に入り込み、またｎ型半導体の自由電子の一部がｐ型半導体に入り込みます。

その結果、ｎ型は全体としてプラスに帯電し、ｐ型は全体としてマイナスに帯電します。

すなわちｐ型が負となる電位差が発生します。

そうなるともはや、ｐ型の正孔はｎ型に流れ込みませんし、ｎ型の自由電子もｐ型に流れ込みません。

すなわち安定な状態ができます。

これを内部電界といいます。

その状態において、外からｐ型にプラス、ｎ型にマイナスの電圧を加えると、ｎ型の自由電子は内部電界を超えてｐ型に流れ込みます。

すなわちｐ型からｎ型へと電流が流れます。

ｐ型をプラスとする電圧をかけることでｐ型からｎ型に電流が流れるという、当然のような現象が起きるのです。

これを順方向の電圧といいます。

一方逆に、外からｐ型にマイナス、ｎ型にプラスの電圧を加えるとどうなるでしょう。

ｐ型にある正孔は、外部の負電圧に引かれ、ますますｐｎ接合には近づかなくなります。

またｎ型にある自由電子は、外部の正電圧に引かれ、やはりｐｎ接合には近づかなくなります。

こうなるとせっかく電圧をかけても、コンデンサが間にはさまっているようなもので電流は流れません。

これを逆方向の電圧といいます。

こうして片方向にのみ電気を通す、いわゆるダイオード機能が実現します。

ｐｎ接合ではｐからｎに対してのみ、電気が通るのです。

ダイオードは交流を直流にする整流において使われるほか、トンネルダイオードや発光ダイオードなど、さまざまな現象の研究・応用が進んでいます。