エネルギー研究所ー新たなエネルギーとは

pn接合のエネルギーバンド

pn接合のエネルギーバンド

半導体には、電子が多めのN型(Nega&ve)半導体と、電子が少なめのP型(Posi&ve)半導体がある。

この2種類の半導体を組み合わせることで、さまざまな電子素子が作られる。

ここではもっとも基本である、P型半導体とN型半導体の組み合わせ、PN接合について解説します。

 

PN接合

P型とN型の半導体を接合した境界では、フェルミ準位が一致し、バンドが縦にずれた電子構?が生まれる。
この接合部をPN接合と呼ぶ。
フェルミ準位は電子の水面(エネルギーの最上位)で、水面に差がある時には電子が移動することで水面が揃うため、安定状態ではフェルミ準位は水平に一致する。

その結果、PとNの半導体はバンド構?が曲がった形で接続される。
接合部ではバンドの曲がりが障壁になり、電子はそれ以上進めず、電子のない空乏層が形成される。

 

順方向電圧印加

PN接合のP型にプラス、N型にマイナスの電圧を印加すると、プラス電圧によりフェルミ準位は引き下げられ、マイナス電圧により引き上げられる。

 

逆方向電圧印加

PN接合のP型にマイナス、N型にプラスの電圧を印加すると、プラス電圧によりフェルミ準位は引き下げられ、マイナス電圧により引き上げられることで、バンドの段差がさらに大きくなり、キャリアのない領域(空乏層)は更に広がる。

キャリアは両側に移動するが、接合部からのキャリアの供給はないので、電流はすぐに止まってしまう。

 

発光ダイオードと太陽電池

ダイオードに順方向電圧を印加したときに起きる。
電子と正孔の再結合では、電子のエネルギーが熱や光に変換されて放出される。

この光エネルギーを効率よく取り出すように設計された素子が、発光ダイオードである。一方で、逆方向電圧印加では接合部に電荷がなくなり、電流が流れなかったが、接合部に光を当てて電子・正孔ペアを生成すると、逆方向の電流を発生させることができる。
光を受けるために大面積のPN接合を形成した素子が太陽電池である。

 

発光ダイオードの動作

PN接合に順方向電圧をかけても、電子のエネルギーが一定値を越えるまで電流は流れない。
この電圧を順方向電圧降下Vtと呼ぶ。
シリコンでは約0.6Vである。

Vt以上では指数関数的に電流が増加する。
逆方向電圧をかけると、わずかなリーク電流(μA)を除いて電流はほとんど流れない。

しかしVzに達すると突然ほとんど抵抗なしで大電流が流れ出す。

これをツェナー降伏と呼ぶ。

Vzは電流値にかかわらずほとんど一定なので、定電圧を得るために利用される。

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まとめ

 

人類が抱えているエネルギー問題、

現在の暮らしを見つめなおして、

未来の暮らしを考えてみましょう。

それでは、最後まで読んでくださって

どうもありがとうございました!^^

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してくださると幸いです◎




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