ＰＮ接合

ドーピングによってＰ型とＮ型の２種類の不純物半導体をつくることができることを説明しました．主な半導体製品はこれらＰ型，Ｎ型の半導体と真性半導体によって構成されます．そこで，まず半導体製品の基本となるＰ型半導体とＮ型半導体の接合について考えます．

図3-2-1 はＰ型半導体とＮ型半導体の接合について図示しています．同図接合面では，熱などの励起によって生じたキャリアが拡散⁽¹⁾ によってお互いの半導体を行き来することができるため，ホールと自由電子が出会う確率が高くなります．出会ったホールと自由電子は，結合することによって両方とも消滅します．こうしてＰ型半導体とＮ型半導体の接合面では拡散によってホールや自由電子（キャリア）が少なくなる領域がつくられます．この領域を空乏層といいます．

空乏層内のホールと自由電子の消滅によってＮ型半導体側の空乏層では電子を失うことになり，ドナーはプラスに帯電（イオン化）したことになります．また，Ｐ型半導体側の空乏層では電子を与えられることになるのでアクセプタはマイナスに帯電（イオン化）したことになります．このようにしてＰＮ接合によって帯電した電荷を封入電荷といいます．この封入電荷がつくられる過程で，Ｐ型半導体のホールはＮ側へ移動し，Ｎ型半導体の自由電子はＰ側へ移動したことになります．

図3-2-3 PN接合とエネルギー構造

よってＰ型およびＮ型の半導体が接合した時，キャリアの移動すなわち電流はＰ型半導体からＮ型半導体へ流れたことになります．この電流を拡散電流といいます．

図3-2-2 はＰ型半導体とＮ型半導体と接合面における空乏層のエネルギー構造を示しています．空乏層ではドナーバンドの電子がエネルギー準位の低いアクセプタバンドに落ちることによってアクセプタバンドのホールと結合します．すると図3-2-2（空乏層）に示すように多くのキャリアがアクセプタバンドに収納されます．

Ｐ型半導体，Ｎ型半導体，空乏層のフェルミ準位を図3-2-2 に示しています．空乏層が伝導帯と価電子帯の中心に位置するのに対しＰ型は価電子帯よりに低く，またＮ型は伝導帯よりに高く位置します．

ところでフェルミ準位は物質中の電子濃度が５０％で存在するエネルギー準位ですので，半導体の場合には自由電子およびホール両方を含むキャリアのエネルギー準位の平均を示しています．物質中の全キャリアのエネルギー準位の平均は，一般にその物質の置かれる電気的な位置エネルギー（電位）に相当するものとして考えることができます．

図3-2-3 はＰ型半導体，Ｎ型半導体および空乏層のエネルギー構造をフェルミ準位を基準に（電位をそろえて）示しています．図のようにＰＮ間にエネルギー差がつくられます．これを障壁といいます．

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(1) 拡散：
一般に物質中の成分濃度に偏りがある場合，平衡の状態に近づこうとする成分の移動を拡散といいます．ＰＮ接合においてはホールと自由電子がＰ型およびＮ型で濃度に偏りがあることから，拡散によってこれらのキャリアが移動します．

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