半導体は、電気伝導率を設計できる材料です。シリコンでは、ドナー不純物を加えると電子が多数キャリアの N型 になり、アクセプタ不純物を加えると正孔が多数キャリアの P型 になり、この2つを接合すると PN接合 ができます。PN接合は逆方向バイアスよりも順方向バイアスのほうがはるかに電流を流しやすくなります。
この1つの考え方で、電子回路の基本の多くを説明できます。ダイオード、LED、太陽電池、そして多くのトランジスタ構造はすべて、ドープされた半導体領域の中でキャリアがどう動くかに依存しています。
半導体とは何か
単純なバンドモデルでは、半導体は満たされた価電子帯、ほぼ空の伝導帯、そして通常のデバイス動作条件でキャリアの振る舞いを変えられる程度に小さいバンドギャップを持つ材料です。室温の純粋なシリコンにも動けるキャリアはありますが、その数は金属よりずっと少なくなります。
だから重要なのは、単に「電気を通すかどうか」ではありません。本当に役立つ問いは「何が電荷キャリアの数や動きを変えるのか」です。半導体では、その答えはしばしばドーピング、電場、温度、または光です。
P型半導体とN型半導体
純粋な半導体材料は、しばしば真性半導体と呼ばれます。そこに意図的に少量の不純物原子を加えると、外因性半導体になります。
シリコンでは、リンのようなドナー不純物は、ゆるく束縛された余分な電子を1つ供給できます。これによって N型 となり、電子が多数キャリアになります。
一方、ホウ素のようなアクセプタ不純物は、単純な結合モデルでは結晶に必要な結合電子が1つ足りない状態を作ります。これによって P型 となり、正孔が多数キャリアになります。
正孔は陽子ではなく、独立した基本粒子でもありません。ほぼ満たされた状態の集まりの中で、電子が欠けていることによる見かけの運動を追跡するための便利な考え方です。多くの問題では、正孔を正に帯電した移動キャリアとして扱うと、物理の見通しがずっとよくなります。
ドーピングが伝導率をどう変えるか
ドーピングは、どちらの種類のキャリアが動きやすいかを変えます。N型では、真性シリコンよりも伝導に使える電子がはるかに多くなります。P型では、正孔の移動が支配的な寄与になります。
ただし、結晶全体としては依然として電気的に中性です。これは重要な点です。P型だからといって固体全体が正に帯電しているわけではなく、N型だからといって負に帯電しているわけでもありません。
PN接合はどうできるか
P型領域とN型領域を接合すると、キャリアは完全に分かれたままではいません。接合付近の電子はN側からP側へ拡散し、正孔はP側からN側へ拡散します。
境界付近では、それらのキャリアの多くが再結合します。その結果、固定されたイオン化不純物が残ります。N側の端には正に帯電したドナーイオン、P側の端には負に帯電したアクセプタイオンが残ります。
この領域は 空乏層 と呼ばれます。物質が消えるからではなく、動けるキャリアの大部分が少なくなっているからです。露出した電荷によって内部電場と内蔵障壁が生じ、さらなる拡散に逆らいます。
この自然にできる障壁こそが、ダイオードの振る舞いの鍵です。順方向バイアスや逆方向バイアスを説明するには、この障壁がどう変わるかを追う必要があります。
例題: シリコンダイオードにおける順方向バイアスと逆方向バイアス
P型領域1つとN型領域1つからできた単純なシリコンダイオードを考えます。
ケース1: 外部電池がない場合
接合ができるとすぐに、拡散と再結合によって空乏層が形成されます。内蔵電場はそれ以上のキャリア拡散を押し戻すので、接合は平衡状態に落ち着きます。
ケース2: 順方向バイアス
次に、P側を電池の正極に、N側を負極につなぎます。これが 順方向バイアス です。
この条件では、外部電場が接合にかかる実効的な障壁を下げます。空乏層は狭くなり、多数キャリアはより容易に接合を越えられるようになります。その結果、電流は大きく増えることができます。
ケース3: 逆方向バイアス
電池の向きを逆にして、P側を負、N側を正にします。これが 逆方向バイアス です。
このとき外部電場は障壁を高くし、空乏層を広げます。多数キャリアは接合から引き離されるので、通常の伝導は小さいままです。ただし実際の接合には逆方向漏れ電流があり、逆電圧が非常に大きいと降伏が起こることもあるため、「まったく電流が流れない」と考えるのは正しくありません。
これが、1つの例で見たダイオードの基本的な考え方です。接合は機械的な一方向弁ではありません。印加されたバイアスによって障壁が変化する、キャリアと電場の系なのです。
半導体の問題でよくある間違い
- P型材料は全体として正に帯電していると言ってしまうこと。実際には全体として電気的に中性です。
- 正孔を陽子のような文字どおりの正電荷粒子として扱ってしまうこと。正孔は電子が欠けていることの振る舞いを表すモデルです。
- 空乏層を空っぽの空間だと思ってしまうこと。実際には、動けるキャリアが非常に少なく、固定されたイオン化不純物が多い領域です。
- 逆方向バイアスなら電流は完全にゼロだと思い込むこと。実際のデバイスには通常わずかな漏れがあり、十分大きな逆電圧では振る舞いが大きく変わることがあります。
- 「順方向はよい、逆方向はだめ」とだけ暗記して、障壁やキャリアの動きがどう変わるかを追わないこと。
PN接合と半導体はどこで使われるか
半導体は、単なる金属的な導電ではなく、制御された電気的性質が必要なあらゆる場所で使われます。PN接合は、整流ダイオード、LED、フォトダイオード、太陽電池、そしてトランジスタ設計の大きな部分の基礎になっています。
P型、N型、空乏層が理解できるようになると、多くの電子工学の考え方が急に分かりやすくなります。トランジスタは単なる回路記号ではなくなります。半導体領域と電場の形を工夫してキャリアの流れを制御する構造として見えてきます。
似た例で試してみる
LEDや太陽電池で自分なりのバージョンを考えてみてください。同じ順番で問いを立てます。多数キャリアはどこにいるか、接合にはどんな電場があるか、そして順方向バイアス・逆方向バイアス・光を加えたときに何が変わるか、を考えてみましょう。