解説

一つの半導体結晶の中で、p形の領域とn形の領域が接して存在するいわゆ るpn接合は、整流作用などの特異な性質を示し、半導体デバイスの最も基 本的な構成要素である。一般にpn接合によって構成されている素子を半導 体ダイオードという。n領域には多数の自由電子が存在するので、n領 域からp領域へと電子が拡散する。また、p領域には多数の自由正孔(hole) が存在するので、正孔はp領域からn領域に逆向きに拡散する。これらの拡 散による移動の結果として、接合部のごく近傍のn形側では電子が欠乏し、 他方p形側では正孔が欠乏する。一方、接合部を通して拡散した電子また は正孔は、互いに異符合の正孔または電子と結合し消滅する。結果として 接合部をはさんでn形側の電子が欠乏した層(空乏層-depletion layer)は、 あとに+にイオン化したドナー原子を残して正に帯電し、p形側の正孔の欠 乏した層(空乏層)は、あとに-にイオン化したアクセプタ原子を残して負 に帯電する。こうして、接合部にイオン化した+-の原子の作る空間電荷 による電界が形成される。このようにして作られた電界は電子あるいは正 孔の、それ以上の拡散を阻止するように働き(電界障壁)、それぞれの領域 でのキャリア数を一定に保っている。

空乏層はキャリアが欠乏している領域なので、言い換えれば絶縁層ともい える。空乏層は電圧の加わる方向によって広くなったり、狭くなったりす る。空乏層が広くなるとダイオードの抵抗は大きくなり(逆方向特性)、狭 くなると抵抗は小さくなる(順方向特性)。

  

Figure 1: ダイオードの図記号と極性表示

ダイオードはこの空乏層を利用した半導体素子である。図 1に ダイオードの図記号と極性表示を示す。pnダイオードの場合、p形を A(Anode)、n形をK(Kathode,Cathode,色帯マーク側)としている。

逆バイアスがある大きさを越えると急に大きな電流がながれる。この現象 を降伏現象(Breakdown phenomena)といい、その時の電圧を降伏電圧 (Breakdown Voltage)という。普通のSiダイオードでは、降伏は数百Vで 生ずる。しかし、p,n領域の不純物濃度を大きくすることにより、数V〜 数十Vの電圧の降伏電圧を持つダイオードを設計、製作できる。これは、 電流が変化しても電圧がほとんど変化しないので定電圧ダイオード(ツェ ナー・ダイオード)として広く利用されている。

ダイオードに順方向電圧がかかっているときには、n形領域の電子の一部 がp形領域流れ込んで正孔と結合し、p形領域の正孔の一部はn形領域に流 れ込んで電子と結合する。この電子・正孔結合現象は、高いエネルギー状 態にある電子が低い状態に戻る過程に相当する。化合物半導体のpn接合ダ イオードにおいては、この結合に伴って光が放出される。この光が効率良 く発生し、ダイオードの外に放出されるようにしたのが、発光ダイオード (LED) である。

ダイオードの特性測定は原理的には、抵抗を測定するのと変わりない。た だし、抵抗の場合は、図 2(a)に示すように印加する電圧と流れ る電流は比例し、いわゆる線形(linear)の関係にあるが(オームの法則)、 ダイオードの場合には、図 2(b)に示すように、電流が流れ始め るのには一定以上の電圧（立ち上がり電圧-電位障壁を飛び越えて電流が 流れ始める電圧）が必要であり、電圧と電流は比例せず、電圧-電流特性 は非線形(non-linear)の関係になるので、特性測定にはそれなりの工夫が いる。

立ち上がり電圧は、ダイオード材料固有の値(エネルギーギャップE_gの 大きさと共に大きくなる)を持ち、ダイオードを使用する場合、考慮すべ き値である。その値は

• Geダイオードでは0.2〜0.3V、E_g=0.7eV
• Siダイオードでは0.6〜0.7V、E_g=1.1eV
• GaAsPやGaAlAsなどの化合物半導体から作られている発光ダイオー ドでは1.6〜1.7V位、E_g=2.0eV前後(組成比により異なる)

  

Figure 2: 抵抗およびダイオードの電圧-電流(V-I)特性

図 2(b)はダイオードのV-I特性の一例であり、以下のような特 徴がある。

120D

ダイオードの順方向特性(ON状態)
図のように、p形半導体が+極、n形半導体が-極になるように加えた電圧 を順バイアス(forward bias）という。この場合→空乏層は狭くなる→ 低い抵抗値→キャリアは空乏層を通り抜け、 相手の領域に達して電流がながれる ので、これを順方向電流(forward current)という。pnダイオードの電 流-電圧特性は以下のように与えられる(教科書参照)。

 

$$I_s\{\exp(eV/kT)-1\}$$ I = (1)

ただし、$V\gg 0$では、 $\exp(eV/kT)\gg 1$、片対数グラフ用紙上では直 線で表される。

220D

ダイオードの逆方向特性(OFF状態) p形半導体が-極、n形半導体が+極になるように加えた電圧を逆バイアス (backward,or reverse bias)という。この場合→空乏層は広くなる→ 高い抵抗値→ほとんど電流は流れなくなる。 このときわずかに流れる電流を逆方 向電流(reverse current)という。 従って、逆バイアスされたpn接合は、集積回路などにおいて、ある領域 を電気的に絶縁(isolation)するために広く使われている。

逆方向電流は非常に小さい。シリコンダイオードではnAオーダー
ゲルマニウムダイオードでは $\mu A〜 10\mu A$オーダー

Vが大きな負の値では、式 1において、 $\exp(eV/kT)\mathrel{\mathpalette\ap@align{\smash.}} -I_s$となる。

参考文献

• 教科書 -「半導体工学」-第3章 3.1 pn接合（61項）
• 教科書 -「半導体工学」-第6章 6.3[2] 発光ダイオード（206項）
• 教科書 -「基礎電気・電子工学」 -第3章 3.3 半導体ダイオー ド（121項）