半導体デバイスの基本構成要素 pn junction diode

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1 半導体デバイスの基本構成要素 pn junction diode

2 Siモノリシック集積回路 モノリシック(monolithic) ＝ 1枚の基板上に作製 MOSFET p型領域 n型領域 ダイオード
バイポーラ トランジスタ ダイオード MOSFET

3 電荷中性条件 均一な半導体中では，正電荷量＝負電荷量 n型 p型 プラスで動けない （ドナー） プラスで動ける （正孔）
プラスで動けない　（ドナー） マイナスで動ける　（伝導電子） プラスで動ける　　　（正孔） マイナスで動けない　（アクセプタ） n型 p型

4 n型半導体（negative type） Si原子は1原子あたり4滴の価電子． ドナー1個あたり1滴ずつ価電子（液体）の量が多い

5 p型半導体（positive type) アクセプタ原子1個あたり1滴ずつ価電子（液体）の量が少ない．

6 キャリアの再結合（recombination）
結合からはみ出したものと，結合の抜けた部分が出会うと・・・

7 粒子の拡散 (diffusion) 粒子が濃度の高い領域から低い領域に向かう流れ． 電荷の符号には関係ない．
異なる粒子が混ざっていても，それぞれ独立．

8 n型とp型をくっつけると・・ 授業ではアニメで！
　「階段接合」 まず，電子は右へ，正孔は左へ拡散し始める． 伝導電子と正孔が再結合（recombination) し消滅する． そうすると，キャリアの枯渇した空乏層(depletion layer)が形成される． では，この過程がどんどん進み，全領域からキャリアが無くなってしまうのだろうか? 動けない正電荷 ドナーイオン： 動けない負電荷 アクセプタイオン：

9 熱平衡状態とは 拡散と電界の力が釣り合った状態が熱平衡 (thermal equilibrium)． 拡散により電子を押し出す力
電界により電子を押し戻す力

10 エネルギーバンド図を使った説明 液面の位置(フェルミ準位：EF)は，n型の方が高い． 電子はp型の方に移動．
拡散現象は，フェルミ準位の差によって説明される． n型 p型 EC EF EV

11 平衡までの変化 授業ではアニメで！ EC EF n型 p型 EV n側：電子が消滅 → 正電荷残留 → 電位の上昇 → 電子エネルギー減少．
平衡までの変化 　　　　　　　　　　授業ではアニメで！ n側：電子が消滅 → 正電荷残留 → 電位の上昇 → 電子エネルギー減少． p側：正孔が消滅 → 負電荷残留 → 電位の下降 → 電子エネルギー増加． EC EF EV ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － n型 p型

12 熱平衡では液面は水平 qVD n型中の伝導電子にとっては，qVD のエネルギーの壁が！ p型中の正孔にとっても，qVD のエネルギーの壁．
EC qVD Ei p型 qfp ECn - EF EF EF -EVp qfn EV