p-nダイオード

P-Nダイオード

タイプ	半導体
動作原理	p-n接合
ピン名	A: 陽極、K: 陰極
電子シンボル

p -n ダイオードは、p-n 接合に基づく半導体ダイオードの一種です。ダイオードは電流を一方向にのみ伝導し、p型半導体層とn型半導体層を結合して作られます。半導体ダイオードには、交流電流を直流電流に整流する、無線信号の検出、光の放射と検出など、さまざまな用途があります。

この図は、 p-n半導体ダイオードに使用される多くの構造のうち 2 つを示しています。どちらも、デバイスが逆バイアスに耐えられる電圧を高めるために採用されています。上部の構造では、隣接するn層に隣接するp ⁺領域の急峻な湾曲を避けるためにメサを使用しています。下部の構造では、p + 層の鋭い角の端に軽くドープされた p ガード リングを使用して、電圧^をより長い距離に分散させ、電界を減らしています。( n ⁺やn ⁻などの上付き文字は、不純物ドーピング レベルが高いか低いかを示します。)

理想ダイオードは、順方向バイアス極性では抵抗がゼロで、逆電圧極性では抵抗が無限大（電流がゼロ）です。交流回路に接続すると、半導体ダイオードは電気整流器として機能します。

半導体ダイオードは理想的ではありません。図に示すように、ダイオードは、ゼロ以外のニー電圧 (または ターンオン電圧、カットイン電圧、またはしきい値電圧)に達するまで、ほとんど導通しません。ニー電圧の値は半導体によって異なります (ダイオード § さまざまな半導体の順方向しきい値電圧に記載)。この電圧を超えると、電流-電圧曲線の傾きは無限大ではありません (オン抵抗はゼロではありません)。逆方向では、ダイオードはゼロ以外のリーク電流を流します (図ではスケールが小さいため誇張されています)。また、ブレークダウン電圧を下回る十分に大きな逆電圧では、負の逆電圧が大きくなるにつれて電流が急速に増加します。

図に示すように、オン抵抗またはオフ抵抗は、選択されたバイアスポイントにおける電流 - 電圧特性の逆勾配です。

${\displaystyle r_{\text{D}}=\left.{\frac {\Delta v_{\text{D}}}{\Delta i_{\text{D}}}}\right|_{v_{\text{D}}=V_{\text{バイアス}}}\ ,}$

ここで、は抵抗であり、はバイアスにおけるダイオード電圧の変化に対応する電流の変化である。${\displaystyle r_{\text{D}}}$${\displaystyle i_{\text{D}}}$${\displaystyle \Delta v_{\text{D}}}$${\displaystyle V_{\text{バイアス}}\,.}$

ここでは、急激なp-nダイオードの動作について考察します。「急激」とは、p 型および n 型のドーピングが、互いに出会う平面で階段関数の不連続性を示すことを意味します。目的は、電流電圧特性を示す図のさまざまなバイアス状態を説明することです。動作は、さまざまなバイアス条件下でダイオード内の位置によって最低伝導帯エネルギーと最高価電子帯エネルギーがどのように変化するかを示すバンド曲げ図を使用して説明されます。詳細については、 「半導体」および「バンド図」の記事を参照してください。

この図は、 p-nダイオードのバンド ベンディング ダイアグラムを示しています。つまり、伝導帯 (上の線) と価電子帯 (下の線) のバンド エッジが、p型材料 (左側) とn型材料 (右側) の間の接合の両側の位置の関数として示されています。同じ半導体のp型領域とn型領域を近づけ、2 つのダイオード接点を短絡すると、フェルミ半占有レベル(破線の水平直線) は一定レベルになります。このレベルにより、接合の両側の電界のないバルクで、正孔と電子の占有が適切になります (したがって、たとえば、占有を調整するために、電子がn側を離れて短絡を介して p側に移動する必要はありません)。

しかし、フェルミ準位が平坦であるためには、 p型側のバンドがn型側の対応するバンドよりも高く移動し、バンド端にφ _Bで示されるステップ (またはバリア) を形成する必要があります。このステップにより、 p側の電子密度はn側よりもボルツマン係数 だけ小さくなり、 p領域の電子密度が低くなるのに対応します。記号は熱電圧を表し、次のように定義されます。T =  290 ケルビン(室温)では、熱電圧は約 25 mV です。同様に、 n側の正孔密度はp側よりもボルツマン係数だけ小さくなります。接合部を横切る少数キャリア密度のこの逆数の減少により、キャリア密度のpn積は次のように強制 されます。${\displaystyle e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle V_{\text{T}}}$${\displaystyle V_{\text{T}}={\tfrac {k_{\text{B}}T}{q}}.}$

${\displaystyle p\,n=p_{\text{B}}\,n_{\text{B}}\,e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$

平衡状態のダイオード内の任意の位置で。^[1]ここで、およびはそれぞれp側とn側のバルク多数キャリア密度です。 ${\displaystyle p_{\text{B}}}$${\displaystyle n_{\text{B}}}$

バンド エッジのこのステップの結果、接合付近の空乏領域では正孔と電子の両方が空乏化され、可動電荷がほとんどない絶縁領域が形成されます。ただし、ドーパント イオンによる固定された不動電荷は存在します。空乏層に可動電荷がほとんど存在しないということは、存在する可動電荷が、ドーパント イオンによる不動電荷 (アクセプタ ドーパントによるpタイプ側の負電荷とドナー ドーパントによるnタイプ側の正電荷) とバランスをとるのに不十分であることを意味します。この電荷のため、ポアソン方程式で決まるように、この領域に電界があります。空乏領域の幅は、p側の負のアクセプタ電荷がn側の正のドナー電荷と正確にバランスするように調整されるため、どちらの側でも空乏領域の外側に電界はありません。

このバンド構成では、電圧は印加されず、ダイオードに電流は流れません。ダイオードに電流を流すには、次に説明するように順方向バイアスを印加する必要があります。

順方向バイアスでは、バッテリーのプラス端子がp型材料に接続され、マイナス端子がn型材料に接続されるため、正孔がp型材料に注入され、電子がn型材料に注入されます。n型材料の電子はその側では多数キャリアと呼ばれますが、 p型側に到達した電子は少数キャリアと呼ばれます。同じ記述が正孔にも適用され、 p型側では多数キャリア、n型側では少数キャリアとなります。

順方向バイアスは、印加電圧の量だけ 2 つのバルク半占有レベルを分離し、p型バルクバンド端の分離を下げて、エネルギー的にn型のバンド端に近づけます。図に示すように、バンド端のステップは印加電圧によって減少します(バンド曲げ図はボルト単位で作成されるため、電子電荷がエネルギーに変換されることはありません)。 ${\displaystyle \varphi _{\text{B}}-v_{\text{D}}.}$${\displaystyle v_{\text{D}}}$

順方向バイアスでは、p側からn側への正孔の拡散電流(つまり、濃度勾配によって駆動される電流)と、反対方向のn側からp側への電子の拡散電流が流れます。この移動を駆動する勾配は次のように設定されます。界面から離れたバルクでは、少数キャリアの濃度は多数キャリアに比べて非常に低く、たとえば、p側 (少数キャリア)の電子密度はn側 (多数キャリア)の電子密度よりも 1 倍低くなります。一方、界面の近くでは、電圧を印加するとバンド エッジのステップが減少し、少数キャリア密度がバルク値よりもボルツマン係数だけ増加します。接合内では、pn積が平衡値を超えて次の値まで増加します。^[1]${\displaystyle e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle v_{\text{D}}}$ ${\displaystyle e^{v_{\text{D}}/V_{\text{T}}}}$

${\displaystyle p\,n=\left(p_{\text{B}}\,n_{\text{B}}\,e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}\right)e^{v_{\text{D}}/V_{\text{T}}}\ .}$

拡散を駆動する勾配は、障壁における大きな過剰少数キャリア密度とバルク内の低い密度との差であり、その勾配は界面からバルクへの少数キャリアの拡散を駆動します。注入された少数キャリアは、過剰濃度をバルク値に近づける 再結合メカニズムによってバルクに移動するにつれて数が減ります。

再結合は、多数キャリアと直接遭遇して両方のキャリアを消滅させることによって、または、再結合生成中心（ホールと電子を交互にトラップして再結合を助ける欠陥）を介して発生する可能性があります。少数キャリアには寿命があり、この寿命によって、多数キャリア側から少数キャリア側に拡散できる距離、いわゆる拡散長が制限されます。発光ダイオードでは、電子とホールの再結合に伴って、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップに関連する波長の光が放出されるため、ダイオードは順方向電流の一部を光に変換します。

順方向バイアスでは、ホールと電子の半占有ラインは、平衡状態にあるときのようにデバイス全体で平坦に維持できず、位置によって変化する擬似フェルミ準位になります。図に示すように、電子の擬似フェルミ準位は、 nバルクの半占有平衡フェルミ準位から、 pバルクの深部にあるホールの半占有平衡準位へと、位置とともにシフトします。ホールの擬似フェルミ準位はその逆になります。2 つの擬似フェルミ準位は、バルク材料の深部を除いて一致しません。

この図は、多数キャリア密度が、それぞれのバルク材料の多数キャリア密度レベルから、障壁の上部で平衡値から順方向ダイオード バイアスの量だけ減少した 1 倍小さいレベルまで低下することを示しています。この障壁は反対にドープされた材料にあるため、障壁位置に注入されたキャリアは少数キャリアになります。再結合が進行するにつれて、少数キャリア密度は深さとともに、注入前の多数キャリアとしてのバルク密度よりも 1 倍小さい、バルク少数キャリアの平衡値まで低下します 。この時点で、擬似フェルミ レベルはバルク フェルミ レベルの位置に戻ります。 ${\displaystyle (n_{\text{B}},p_{\text{B}})}$${\displaystyle e^{-(\varphi _{\text{B}}-v_{\text{D}})/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle \varphi _{\text{B}}}$${\displaystyle v_{\text{D}}.}$${\displaystyle e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle (n_{\text{B}},p_{\text{B}})}$

バンド エッジのステップが減少するということは、順方向バイアス下では、 p側からホールが、 n側から電子が押し込まれるため、空乏領域が狭くなることも意味します。

単純なp-nダイオードでは、キャリア密度が指数関数的に増加するため、順方向電流は順方向バイアス電圧とともに指数関数的に増加するため、印加電圧が非常に小さい値であっても常にいくらかの電流が存在します。ただし、特定の電流レベルに関心がある場合、その電流レベルに達する前に「膝」電圧が必要になります (シリコン ダイオードの場合は約 0.7 V、その他の電圧については「ダイオード § 各種半導体の順方向しきい値電圧」を参照してください)。^[2]膝電圧を超えると、電流は指数関数的に増加し続けます。一部のバラクタなどの特殊なダイオードは、順方向の膝電圧まで低い電流レベルを維持するように意図的に設計されています。

逆バイアスでは、ホールの占有レベルは再びバルクp型半導体のレベルに留まる傾向があり、電子の占有レベルはバルクn型のレベルに従います。この場合、逆バイアスによってp型バルクのバンド エッジがn型バルクに対して上昇するため、2 つのバルク占有レベルは印加電圧によって決まるエネルギーによって再び分離されます。図に示すように、この動作はバンド エッジのステップが増加し、 p側ではホールが引き離され、 n側では電子が引き離されるので空乏領域が広がることを意味します。 ${\displaystyle v_{\text{R}},}$${\displaystyle \varphi _{\text{B}}+v_{\text{R}},}$

逆バイアスが印加されると、空乏領域の電界が増加し、電子と正孔はゼロバイアスの場合よりもさらに引き離されます。したがって、流れる電流は、この領域の生成-再結合欠陥による空乏領域内の非常に弱いキャリア生成プロセスによるものです。この非常に小さな電流が、逆バイアス下でのリーク電流の原因です。フォトダイオードでは、入射光によって空乏領域に正孔と電子が生成されることで逆電流が導入され、入射光の一部が電流に変換されます。

逆バイアスが非常に大きくなり、ブレークダウン電圧に達すると、空乏領域での生成プロセスが加速され、アバランシェ状態が発生して暴走を引き起こし、ダイオードを破壊する可能性があります。

理想的なp-nダイオードの直流電流-電圧挙動はショックレーダイオード方程式によって支配される：^[3]

${\displaystyle I_{\text{D}}=I_{\text{R}}\left(e^{\frac {V_{\text{D}}}{nV_{\text{T}}}}-1\right),}$

どこ

${\displaystyle V_{\text{D}}}$ダイオード両端の DC 電圧です。

${\displaystyle I_{\text{R}}}$は逆方向飽和電流であり、ダイオードが逆バイアスされているとき（つまり、が大きく負のとき）に流れる電流です。${\displaystyle V_{\text{D}}}$

${\displaystyle n}$理想的なダイオードの法則によって予測されるよりも遅い増加率をモデル化するために導入された理想係数です。

${\displaystyle V_{\text{T}}}$熱電圧はT  = 290ケルビンで約25mVに等しい。${\displaystyle {\tfrac {k_{\text{B}}T}{q}},}$

この式は、過剰な逆漏れや破壊現象などの非理想的な動作をモデル化しません。

この式を用いると、ダイオードのオン抵抗は

${\displaystyle r_{\text{D}}={\frac {1}{di_{\text{D}}/dv_{\text{D}}}}\approx {\frac {nV_{\text{T}}}{i_{\text{D}}}},}$

電流が大きいほど抵抗が低くなります。注:差動または時間によって変化するダイオードの電流と電圧を指す場合は、小文字のと が使用されます。 ${\displaystyle i_{\text{D}}}$${\displaystyle v_{\text{D}}}$

p-nダイオードのn 側とp側の間の空乏層は、 2 つのダイオード接点を分離する絶縁領域として機能します。したがって、逆バイアスのダイオードは、接点間に誘電体スペーサーがある平行板コンデンサーに類似した、空乏層容量(より漠然と接合容量と呼ばれることもあります)を示します。逆バイアスでは、逆バイアスが増加すると空乏層の幅が広がり、それに応じて容量が減少します。したがって、接合は電圧制御可能なコンデンサーとして機能します。簡略化された 1 次元モデルでは、接合容量は次のようになります。 ${\displaystyle v_{\text{R}}}$

${\displaystyle C_{\text{J}}=\kappa \varepsilon _{0}{\frac {A}{w(v_{\text{R}})}}\ ,}$

デバイス面積、半導体の相対誘電率、電気定数、および空乏幅（移動キャリア密度が無視できる領域の厚さ） によって決まります。${\displaystyle A}$${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle w}$

順方向バイアスでは、上記の空乏層容量に加えて、少数キャリアの電荷注入と拡散が発生します。拡散容量は、順方向バイアスの変化に伴って発生する少数キャリアの電荷の変化を表します。蓄積された少数キャリアの電荷に関して、ダイオード電流は次のようになります。

${\displaystyle i_{\text{D}}={\frac {Q_{\text{D}}}{\tau }}\ ,}$

ここで、は少数キャリアの拡散に伴う電荷であり、 は通過時間であり、少数電荷が注入領域を通過するのにかかる時間であり、通常は0.1～100 nsである。^[4]これに基づいて、拡散容量は次のように計算される。 ${\displaystyle Q_{\text{D}}}$${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle C_{\text{D}}={\frac {dQ_{\text{D}}}{dv_{\text{D}}}}=\tau {\frac {di_{\text{D}}}{dv_{\text{D}}}}={\frac {i_{\text{D}}\tau }{V_{\text{T}}}}\ .}$

一般的に言えば、順方向バイアスでの通常の電流レベルでは、この静電容量は空乏層静電容量をはるかに上回ります。

ダイオードは高度に非線形なデバイスですが、小信号の変化に対する応答は、選択された静止 DCバイアスポイント (または Q ポイント)に基づく小信号回路を使用して分析できます。このポイントを中心に信号が変化すると想定されます。電流と抵抗を持つノートン ソースによって駆動されるダイオードの等価回路を示します。^{[説明が必要]}出力ノードで キルヒホッフの電流法則を使用します。${\displaystyle I_{\text{S}}}$${\displaystyle R_{\text{S}}}$

${\displaystyle I_{\text{S}}=\left(j\omega (C_{\text{J}}+C_{\text{D}})+{\frac {1}{r_{\text{D}}}}+{\frac {1}{R_{\text{S}}}}\right)V_{\text{O}}\ ,}$

ダイオードの拡散容量、ダイオードの接合容量（空乏層容量）、ダイオードのオンまたはオフ抵抗はすべてそのQポイントにあります。この回路によって提供される出力電圧は次のようになります 。${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle C_{\text{J}}}$${\displaystyle r_{\text{D}}}$

${\displaystyle {\frac {V_{\text{O}}}{I_{\text{S}}}}={\frac {(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}{1+j\omega (C_{\text{D}}+C_{\text{J}})(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}}\ ,}$

ここで、|| は並列抵抗を示します。このトランスレジスタンスアンプは、次のように表されるコーナー周波数またはカットオフ周波数を示します。 ${\displaystyle f_{\text{c}}}$

${\displaystyle f_{\text{c}}={\frac {1}{2\pi (C_{\text{D}}+C_{\text{J}})(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}}\ ,}$

周波数については、コンデンサが抵抗器を短絡するため、ゲインは周波数とともに低下します。ダイオードがオンの場合と同様に、ダイオードの抵抗と容量に関する上記の式を仮定すると、次のようになります。 ${\displaystyle f\gg f_{\text{c}}}$${\displaystyle r_{\text{D}}.}$${\displaystyle C_{\text{D}}\gg C_{\text{J}}}$${\displaystyle R_{\text{S}}\gg r_{\text{D}},}$

${\displaystyle f_{\text{c}}={\frac {1}{2\pi n\tau }}\ ,}$

これはコーナー周波数とダイオード通過時間を関連付けます。

逆バイアスで動作するダイオードの場合、はゼロであり、コーナー周波数という用語はカットオフ周波数に置き換えられることがよくあります。いずれにしても、逆バイアスでは、ダイオード抵抗は非常に大きくなりますが、理想的なダイオードの法則が示唆するように無限大にはならず、ドライバのノートン抵抗よりも小さいという仮定は正確ではない可能性があります。接合容量は小さく、逆バイアスに依存します。カットオフ周波数は次のようになります。 ${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle v_{\text{R}}.}$

${\displaystyle f_{\text{c}}={\frac {1}{2\pi \,C_{\text{J}}(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}}\ ,}$

ダイオードの逆バイアスが増加すると移動キャリアが枯渇した絶縁領域の幅が広がり、静電容量が減少するため、逆バイアスによって変化します。^[5]${\displaystyle w(v_{\text{R}})}$

• ピンダイオード
• p-n接合
• ダイオード § 半導体ダイオード

この記事には、Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported Licenseに基づいてライセンスされているが、 GFDLに基づいてライセンスされていないCitizendium の記事「半導体ダイオード」の資料が組み込まれています。