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10.6 : 半導体の基礎

p-n 接合は、p 型と n 型の半導体材料が結合されたときに形成されます。p-n 接合の界面では、濃度勾配により、p 側からの正孔と n 側からの電子が反対側に拡散し始めます。このキャリアの拡散により、接合の周囲に自由電荷キャリアが存在しない領域 (空乏領域) が発生します。この領域は空乏領域と呼ばれます。n 側と p 側の空乏領域内の電荷密度は、次の式で表すことができます。

Equation 1

q は基本電荷、N_D と N_A はそれぞれドナーとアクセプタのドーピング濃度です。

空乏領域の固定電荷は、n 側から p 側に向かう電界 (E) を作成し、キャリアのさらなる拡散を阻止します。この電界により、接合部全体に電位差が生じます。これは内蔵電圧 (V_0) と呼ばれ、次のように計算できます。

Equation 2

ここで、V_T は熱電圧、n_i は固有キャリア濃度です。

p-n 接合部には、キャリア拡散による拡散電流と電界によるドリフト電流の 2 種類の電流が存在します。平衡状態では、拡散電流の大きさはドリフト電流の大きさに等しく、接合部を流れる正味電流はありません。開回路状態では、外部電流はなく、空乏層の内蔵電圧が金属半導体接合部の接触電位とバランスを取り、端子間の正味電圧はゼロになります。

ビルトインバリア電圧と空乏領域の幅は、接合部の動作に重要な役割を果たします。空乏領域の幅によって接合部の静電容量が決まり、接合部が外部電圧にどのように反応するかに影響します。

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P N JunctionP type SemiconductorN type SemiconductorDepletion RegionCharge CarriersElectric FieldBuilt in VoltageDiffusion CurrentDrift CurrentThermal VoltageIntrinsic Carrier ConcentrationEquilibrium CurrentCapacitance

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