n型半導体とp型半導体
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- Si原子の一部をP(リン)などの原子に置き換える。
この電子は形の上では「余っている」状態です。
これを自由電子といいます。
電圧を掛ければ+に引き寄せられて自由に動ける(電流を流せる)状態になります。
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- Si原子の一部をB(ホウ素)などの原子に置き換える。
ここは電子が入っていない「空席」の状態です。
この空席をホールといいます。つまりホールには実体がなく、仮想の粒子ともいえます。
p型半導体に電流が流れる仕組み
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- ホールが移動したように見える
電子は+極に引き寄せられて、近くのホールに移動します。すると、電子の移動で空いたところが新たなホールとなり、またとなりの電子が移動します。
これを繰り返すことで電子は+極の方へ移動し、同時にホールは-極の方へ移動していくように見えます。
このことから実際に動いているのは電子ですが、ホールを+の電気を持った粒子とみなすことができます。
半導体内部での電子とホールの動き
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- n型半導体
電子はプラス極に向かって移動します。このとき、電流の向きは電子の移動の向きとは逆になります。
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- p型半導体
実際に移動しているのは電子ですが、ホールがマイナス極に向かって移動しているように見えます。
このようにしてp型半導体もn型半導体も電流を流すことができますが、金属ほど電流が流れやすいわけではないので、ただ電流を流すだけなら半導体を使う必要はありません。条件によって、流したり流さなかったりできるのが半導体の特徴です。その基本的な原理がpn接合による整流作用です。
pn接合に順方向に電圧を掛けたとき
pn接合にpがプラスになるように電圧を印加すると、ホールも電子も接合面に向かって移動してきます。
接合面(ジャンクション)でホールと電子が出会うと、電子がホールに飛び込み、両方が消滅します。その分、新たにn層に電子が流入し、p層からは電子が流出して新たなホールが発生します。これを繰り返して電流が流れ続けます。
pn接合に逆方向に電圧を掛けたとき
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- このあたりはホールも電子も存在しない領域・・・空乏層
pn接合にnがプラスになるように電圧を印加します。
ホールと電子はお互いに遠ざかる方向に移動するので、接合面で出会わず電流は流れることができません。接合面付近に空乏層というホールも電子も存在しない領域ができて、これが耐圧を生み出します。
このように、pn接合には整流作用があることが分かります。