半導体の基礎からpn接合，そしてダイオードまで

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1 半導体の基礎からpn接合，そしてダイオードまで
半導体講座（これまでの復習） 半導体の基礎からpn接合，そしてダイオードまで

2 (1) 半導体の基本 ――まとめ 半導体とは，絶縁体と導体の中間の電気的性質を示す物質である．
(1) 半導体の基本 　　 ――まとめ 半導体とは，絶縁体と導体の中間の電気的性質を示す物質である． 室温での電気抵抗率が10-4～10-6[Ωm]程度のものを半導体という． 半導体は温度の変化や光の照射、不純物の添加によって電気抵抗率 が変化する． 半導体として最も有名なものは，地球上に多く存在するシリコンを 用いた半導体である． 半導体には不純物を含まない真性半導体と，不純物を含む不純物半 導体がある． 電子をより多く生み出す不純物をドナーと呼ぶ． 正孔をより多く生み出す不純物をアクセプタと呼ぶ． 不純物半導体には，n型半導体とp型半導体の二種類がある． n型半導体ではドナーにより自由電子が多く存在し，多数キャリア が自由電子となっている． p型半導体ではアクセプタにより正孔が多く存在し，多数キャリア が正孔となっている．

3 (1) 半導体の基本 ――半導体はどこで使われる？
(1) 半導体の基本 　　 ――半導体はどこで使われる？ ＊ テレビ ＊ パソコン ＊ 携帯電話 ＊ 洗濯機 ＊ 冷蔵庫 ＊ 電子レンジ etc… 多くの電化製品の中心となるのが、半導体を使った素子になります。 半導体の発展こそが近年の機械化の発展と言っても過言ではないでしょう。

4 (1) 半導体の基本 ――半導体って簡単に言うと何？
(1) 半導体の基本 　　 ――半導体って簡単に言うと何？ 　半導体の最大の特長は、温度や光の照射、不純物の添加によって 抵抗率が大きく変化することです。通常は絶縁体に近い状態にあり ますが、不純物を添加することにより、導体に近い状態になります。

5 (1) 半導体の基本 ――半導体の分子構造はどうなってるの？
(1) 半導体の基本 　　 ――半導体の分子構造はどうなってるの？ 　半導体の代表例であるシリコンは上図のような構造です。 シリコン原子は基本的に最外殻電子（価電子）を4つ持ち、 それらを互いに共有することで繋がっています。

6 (1) 半導体の基本 　　 ――半導体の種類って？ 　半導体には不純物を含まない真性半導体と、 不純物を含む不純物半導体がある。

7 (1) 半導体の基本 ――不純物半導体ってどんなの？
(1) 半導体の基本 　　 ――不純物半導体ってどんなの？ 　不純物半導体には、電子が正孔よりも多いn型と、 正孔が電子よりも多いp型の二種類がある。 　n型だと電子で、p型だと正孔で電流が流れる。

8 (1) 半導体の基本 ――まとめ 半導体とは，絶縁体と導体の中間の電気的性質を示す物質である．
(1) 半導体の基本 　　 ――まとめ 半導体とは，絶縁体と導体の中間の電気的性質を示す物質である． 室温での電気抵抗率が10-4～10-6[Ωm]程度のものを半導体という． 半導体には不純物を含まない真性半導体と，不純物を含む不純物半 導体がある． 半導体は温度の変化や光の照射、不純物の添加によって電気抵抗率 が変化する． 半導体として最も有名なものは，地球上に多く存在するシリコンを 用いた半導体である． 電子をより多く生み出す不純物をドナーと呼ぶ． 正孔をより多く生み出す不純物をアクセプタと呼ぶ． 不純物半導体には，n型半導体とp型半導体の二種類がある． n型半導体ではドナーにより自由電子が多く存在し，多数キャリア が自由電子となっている． p型半導体ではアクセプタにより正孔が多く存在し，多数キャリア が正孔となっている．

9 (2) pn接合 ――まとめ p型半導体とn 型半導体をくっつけると、その間に空乏 層（自由電子と正孔が存在しない層）ができる．
順方向とはp型がプラス，n型がマイナスになる方向であ る．逆方向はその逆で，n型がプラスになる方向である． pn接合では，逆方向に電圧をかけても通常は電流が流れ ない．しかし，逆方向にある一定以上の大きな電圧をか けると，突然電流が思い切り流れだす「降伏 (breakdown)」と呼ばれる現象がある．

10 (2) pn接合 ――p型とn型を繋げるとどうなる？
そうすると，接合面の近くには電子や正孔（つまりキャリア）が存在しない空乏層ができる．

11 (2) pn接合 ――順方向に電圧をかけると？
すると空乏層がどんどん押し潰されてきて，正孔と電子がぶつかり結合する． すると更に正孔と電子が入ってきて，結合する． これが続くので，順方向では電流が流れる．

12 (2) pn接合 ――逆方向に電圧をかけると？
逆方向に電圧を加えると，n型から正孔が，p型から電子が入ってくる． するとp型内の正孔は入ってきた電子と結合してどんどん少なくなる． n型内の電子も同じように減っていき，空乏層が広がっていく． すると電流の源であるキャリアがなくなり，逆方向では電流が流れないのである．

13 (2) pn接合 ――pn接合のi-v特性 I V 逆方向にある一定以上の大きな電圧を加えると急激に電流が流れだす．
この現象のことを降伏現象，あるいは破壊現象と呼ぶ． これを踏まえると，pn接合の電流電圧特性は上図のようになる．

14 (2) pn接合 ――まとめ p型半導体とn 型半導体をくっつけると、その間に空乏 層（自由電子と正孔が存在しない層）ができる．
順方向とはp型がプラス，n型がマイナスになる方向であ る．逆方向はその逆で，n型がプラスになる方向である． pn接合では，逆方向に電圧をかけても通常は電流が流れ ない．しかし，逆方向にある一定以上の大きな電圧をか けると，突然電流が思い切り流れだす「降伏 (breakdown)」と呼ばれる現象がある．

15 (3) ダイオード ――まとめ ダイオードとは，整流作用を持つ素子のことである． （その代表例がpn接合である）
(3) ダイオード 　　 ――まとめ ダイオードとは，整流作用を持つ素子のことである． （その代表例がpn接合である） ダイオードは交流を直流に変換する整流回路や，降伏現 象を利用した定電圧回路などで使われる． 整流ダイオードとは，整流作用を目的として作られたダ イオードである．（代表例はpn接合ダイオード） ツェナーダイオードとは，降伏現象を簡単に起こせるダ イオードである． ショットキーバリアダイオードとは，金属と半導体を接 合して作ったダイオードである． PINダイオードとは，p型とn型の間に真性半導体を入れ たダイオードである．

16 (3) ダイオード ――回路図記号と端子 整流作用とは，電流を一方向にしか流さないという作用のことである．
(3) ダイオード 　　 ――回路図記号と端子 整流作用とは，電流を一方向にしか流さないという作用のことである． この整流作用がある素子のことを，ダイオードと呼ぶ． ダイオードにはアノード(A)とカソード(C)という二つの端子があり， A側にプラス，C側にマイナスの電圧をかけたときにだけ，電流が流れる． pn接合ダイオードであれば，A側がp型，C側がn型となる．

17 (3) ダイオード ――ダイオードを使った最も簡単な回路
(3) ダイオード 　　 ――ダイオードを使った最も簡単な回路 ダイオードの両端に交流電圧をかけると， アノードがプラスになるときにだけ電流が流れる． なので，ダイオードのアノード側から交流電圧を入れると， 負の電圧時には電流が流れず，カソード側は上右図のように電流が流れる．

18 (3) ダイオード ――降伏現象を利用した定電圧回路
(3) ダイオード 　　 ――降伏現象を利用した定電圧回路 ダイオードの逆方向に大きな電圧がかかると，一気に電流が流れる． これを利用すると，ある一定以上の大きさの電圧を遮ることができる． このように，降伏現象をわざと引き起こすように作ったダイオードを， 定電圧ダイオード，あるいはツェナーダイオードと呼ぶ．

19 (3) ダイオード 　　 ――ダイオードの分類

20 (3) ダイオード ――ダイオードの分類 ショットキーバリアダイオード
(3) ダイオード 　　 ――ダイオードの分類 ショットキーバリアダイオード 　半導体と金属を接合して作ったダイオードのこと．低電 圧大電流の電源整流用などで用いられる． ツェナーダイオード 　降伏現象が目的で作られたダイオードのこと．降伏現象 がなるべく逆方向電圧の低い部分で生じるように改良 が施してある．別名は定電圧ダイオード． PINダイオード 　「p 型半導体-真性半導体(Intrinsic Layer, I 層)-n 型 半導体」の3 層構造のダイオードのこと．

21 (3) ダイオード ――ダイオードの分類（構造による分類）
(3) ダイオード 　　 ――ダイオードの分類（構造による分類） 【プレーナ型】 【プレーナ型】 (planer type) ・平坦，平面な構造 ・最もよく使われる ・外部からの汚染に強い 【メサ型】 【メサ型】 (mesa type) ・台形の形状 ・整流ダイオードなどで利用

22 (3) ダイオード ――まとめ ダイオードとは，整流作用を持つ素子のことである． （その代表例がpn接合である）
(3) ダイオード 　　 ――まとめ ダイオードとは，整流作用を持つ素子のことである． （その代表例がpn接合である） ダイオードは交流を直流に変換する整流回路や，降伏現 象を利用した定電圧回路などで使われる． 整流ダイオードとは，整流作用を目的として作られたダ イオードである．（代表例はpn接合ダイオード） ツェナーダイオードとは，降伏現象を簡単に起こせるダ イオードである． ショットキーバリアダイオードとは，金属と半導体を接 合して作ったダイオードである． PINダイオードとは，p型とn型の間に真性半導体を入れ たダイオードである．

23 (3) ダイオード