p-n接合とバンドの湾曲

p型半導体とn型半導体を接合すると、フェルミ準位が揃い、バンドが湾曲し、電流が一方向にのみ容易に流れるようにする内部電界が生成されます。これがダイオードの本質です。

Definition

p-n接合とは、p型半導体とn型半導体の間の界面です。平衡状態では、キャリアの拡散により電荷が枯渇した領域が生成され、内部電界によってバンドが湾曲し、フェルミ準位が一定に保たれます。印加されたバイアスはこの電界の平衡を崩し、整流性の電流フローをもたらします。

Scope

このトピックでは、p-n接合の物理学について扱います。具体的には、冶金学的接合を横切るキャリアの拡散、結果として生じる空乏層と内部電位、フェルミ準位を均一にするバンドの湾曲、および順方向バイアスと逆方向バイアスにおける整流性の電流-電圧特性についてです。ショックレーダイオード方程式、空乏層幅と容量、および降伏について扱い、ダイオード、トランジスタ、太陽電池の構成要素を提供します。

Core questions

• p型材料とn型材料を接合すると、なぜ空乏層と内部電位が生成されるのでしょうか？
• バンドの湾曲は、平衡状態において接合全体でフェルミ準位をどのように一定に保つのでしょうか？
• なぜ接合は順方向バイアスでは容易に導通し、逆方向バイアスでは阻止するのでしょうか？
• 空乏層幅、接合容量、および降伏電圧を決定する要因は何でしょうか？

Key concepts

• 空乏層と内部電位
• バンドの湾曲とフェルミ準位の整合
• 順方向バイアスと逆方向バイアス
• ショックレーダイオード方程式と整流作用
• 接合容量と降伏

Key theories

ショックレーダイオード理論

ショックレーは、空乏層を横切る少数キャリアの拡散から理想的なp-n接合の指数関数的な電流-電圧関係を導き出し、整流作用を説明し、ダイオードとバイポーラトランジスタの基礎となる定量的モデルを提供しました。

Clinical relevance

p-n接合は、半導体エレクトロニクスの基本的な構成要素です。整流ダイオードや信号ダイオード、発光ダイオード、フォトダイオード、太陽電池は接合であり、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタはそれらの組み合わせから構築されています。

History

1939年にOhlがシリコンp-n境界での整流作用を特定し、1949年のショックレーによる接合の理論は、その動作を説明し、接合型トランジスタに直接つながりました。この基礎的な業績は、バーディーンとブラッテンと共有された1956年のノーベル賞によって認められました。

Key figures

• William Shockley
• Russell Ohl
• John Bardeen

Seminal works

• shockley1949
• sze2007

Frequently asked questions

p-n接合はなぜ一方向にのみ電流を流すのですか？

順方向バイアスは内部障壁を低下させるため、多数キャリアが流れ込み、電流は指数関数的に増加します。逆方向バイアスは障壁を上昇させ、ごくわずかな少数キャリア電流しか残さないため、接合は電流の一方通行弁として機能します。

バンドの湾曲とは何ですか？

接合付近では、空乏層の内部電界が局所的なエネルギーバンドを位置に応じて上下にシフトさせます。この湾曲は、平衡状態においてデバイス全体でフェルミ準位を平坦に保つために不可欠であり、これは正味の電流がないという要件を満たします。