５ 半導体素子の基礎(p.129) 5.1 ～ ｐｎ接合 半導体デバイスの基礎（ダイオード，接合型トランジスタ，etc.） 5.1.1～5.1.2 キャリアの拡散と電位障壁 熱平衡状態の場合 (a) ｐ型とｎ型を接合 (b) 電子はｐ側へ，正孔はｎ側へ(低 エネルギー側へ) → (c) 電子と正孔が再結合 空間電荷層が形成される (d) ｎ領域は正に，ｐ領域は負に帯電 する (a) ｐ型とｎ型を接合 (b) 電子はｐ側へ，正孔はｎ側 へ(低エネルギー側へ) → 電子と正孔が再結合 (c) フェルミ準位が一致する と移動は停止 → 空乏層（空間電荷層） が形成される このとき，接合面の正電荷ｑから見ると， ｎ側には行きにくい → ｐ側には行きやすい → 「電位」分布は， VD 電位の落差 → 「電位障壁」または「拡散電位」 このとき，空乏層の厚さは，ＶD とＮD＋，ＮA－で決まり したがって， 室温付近では， ＮD＋＝ＮD，ＮA－＝ＮA で， ｎ型が高濃度のとき； ｐ型が高濃度のとき； Ne Nh Ｎ D ， Nh ＮA ， ＮA ≪ＮD Ne ＮD ≪ＮA このとき， Wd(n)・ＮD ＝ Wd(p)・ＮA (修正版) → 空乏層の厚さは，薄いドーパント(小数キャリア)の密度が支配 5.1.3 整流作用 順方向バイアスと逆方向バイアス 順方向バイアス → 電流が流れる 逆方向バイアス → 電流が流れない → なぜか？ 拡散電流とドリフト電流 拡散電流：電子，正孔の密度を均一にしようという動き 密度差が大きいところで一番強く起こる ドリフト電流： （外部から加えられた）電場によって電子や正孔が動くこと 熱平衡状態（V＝０）のとき； 電子密度分布 → ｎ―拡散流，ｐ―拡散流 拡散電位 内部電場 う → → ｎ－ドリフト流，ｐ－ドリフト流 Ｖ＝０のとき ｎ－ドリフト流 ｐ－ドリフト流 それぞれ電流となるが打ち消し合っている 順方向バイアスのとき ｎ－ドリフト流 ｐ－ドリフト流 逆方向バイアスのとき ｎ－ドリフト流 ｐ－ドリフト流 ｐｎ接合の電流電圧特性 順方向バイアス効果 順方向電流の増加 逆方向電流 → → → → ボルツマン分布をシフト これが拡散電流を増加 指数関数的 ドリフト電流 → 逆方向バイアス 少数キャリア密度で決まる 順方向バイアス Ｉ＝Ｊ0［exp（ｅＶ／ｋＴ － １） ］ (5.20) 5.1.4 ｐｎ接合の応用 ダイオードと整流回路 整流作用を持つ素子 交流の直流化 → → ダイオード（整流器） （ex.真空管ダイオード） 整流回路 半波整流 半波整流（平滑化） 全波整流（平滑化） 光電変換素子（太陽電池） 太陽電池の特色： １． システムが簡便 ２． 温水器のように熱が介在しないので効率的 ３． 規模が自由に選べる ４． 直接型発電 → 送電線が不要 ５． 軽量なので土地の多重利用が可能 太陽光；波長 0.2μm ～ 3 μm，1.6 eV 付近にピーク 半導体材料；InP(1.25eV)，GaAs(1.35eV)，CdTe(1.45eV)，Si(1.1eV) ～ アモルファス Si，単結晶 Si 光起電力効果： 半導体の禁制帯幅よりも大きなエネルギーを持つ光を pn 接合に照射 → 価電子帯の電子が光を吸収，励起されて伝導電子（光電子）となる （内部光電効果） 光電子の発生によってドリフト電流が増大し，熱平衡状態がくずれフェルミ 準位の差（起電力）が発生． → 光起電力 （開放端における光起電力） 開放端状態の起電圧；Ｖoc 外部回路を接続すると電流が流れる → 逆方向電流と同じ向き 短絡状態のときの最大電流；Ｉsc （短絡したときの短絡電流） 実際の動作時は，開放端状態と短絡状態の中間 （太陽電池の電流－電圧特性） F 変換効率：＝ＶocI sc ―― P F：I-V 特性の曲線因子 P：入射する太陽光エネルギー 発光素子（発光ダイオード） E ＝h ＝ hc/λ（h：プランク定数 c：光速 λ：波長） λ [nm]＝1.24/E [eV] ×103 Si → 可視光でない，再結合率が低い GaAs(1.35 eV) GaP(2.26 eV) → → 再結合率が高い，赤外光（リモコンの発光素子） 自分自身は発光しない 不純物が再結合中心を形成 ―――――――――― 化合物半導体 → ―― ―――――――――― エネルギーギャップが異なる接合 ～ 半導体ヘテロ接合 半導体ヘテロ接合： 単一ヘテロ構造： ダブルヘテロ構造（量子井戸構造） ： 量子井戸構造 （ｐｎ接合）
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