固体素子(半導体)

○固体の帯理論
真性半導体:伝導電子の密度n と正孔の密度p が等しい半導体

 

n 形半導体:真性半導体に不純物を入れ、自由電子を生じさせ、伝導電子密度n>正孔密度pとする。

      キャリア:電子

 不純物(ドナー)Siの場合SbPAs(いずれも15 族元素)

 

p 形半導体:真性半導体に不純物を入れ、正孔を生じさせ、正孔密度p>伝導電子密度nとする。

       キャリア:正孔

 不純物(アクセプタ)Siの場合BAlGaIn(いずれも13 族元素)

 
*半導体は温度が上昇すると、キャリアが熱によって電導帯に励起され、電流が流れやすくなる。

 単体の金属導体の場合は温度上昇によって抵抗値は増加する。

○フェルミ準位

 電子の存在確率が1/2のエネルギーのところ。

 真性半導体:バンドギャップ(価電子帯のすぐ上の禁止帯)の中央

 n 形半導体:中央から伝導帯に近づいた位置

p 形半導体: 中央から価電子帯に近づいた位置

 

pn接合

p型、n型半導体を接合すると両方のフェルミ準位が一致して下図のようになる。

空乏層:熱的再結合が盛んに起こりドナーイオンとアクセプターイオンだけが残った場所

     つまり、この空間にキャリアは存在しない。

 順バイアス:電子がnpとなる様に

       p型に正、n型に負の電圧を印加すること

  電流が流れやすい

 逆バイアス:電子がpnとなる様に

       p型に負、n型に正の電圧を印加すること

       電流がほとんど流れない 

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○ダイオード

・一般ダイオード:一般的なダイオードも用途により分類できる。

・整流ダイオード:交流を直流に変換する。

・検波ダイオード:高周波電圧の存在を検出する。

・スイッチングダイオード:スイッチとしての応答速度を工夫した(高速にスイッチする) ダイオード。

・可変容量ダイオード(バラクタ)
 逆バイアスされたダイオードの接合容量の電圧依存性を利用した可変容量ダイオード電子同調回路、自動周波数調整回路( AFC) 回路に使われる。 
・定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)
 ダイオードへの逆バイアス電圧が降伏電圧(VB) を越すと、

電流が急激に増加する。抵抗R を通じてより高い電圧VS を印加すると、VS が変動しても出力電圧がほとんど変化せずVB に固定される。

・エサキダイオード(トンネルダイオード)
 高ドープされ、その結果トンネル効果により電流が流れる。I-V 特性はn 字特性を示す。負性抵抗領域ではトンネル電流であるため応答速度は極めて早い。

・バリスタダイオード:
 順方向電圧が生産時に管理されたダイオード。
電圧の変化で抵抗値が非直線的に変化するダイオード。トランジスタのVBE 等のように温度によって変化する。

・発光ダイオード(LED)
 直接あるいは間接遷移形半導体からなるpn 接合ダイオードに順バイアスを加えてキャリアを注入すると、接合付近で再結合して消滅し、キャリアのもつエネルギーが光となって放出される。間接遷移形のGeSi ではほとんど発光せずGaAs など直接遷移形が用いられる。
・フォトダイオード
 逆方向電流が、光照射によって変化することを利用したダイオード。ダイオードの空乏層内に高電界を加えて、電子雪崩増倍を意図的におこし、高感度化させた雪崩ホトダイオード( APD) もある。

・ショットキ・ダイオード

pn 接合以外でも、半導体と金属でもダイオード特性を示す場合がある。これを利用したのがショットキ・ダイオード(ショットキバリア形ダイオード) という。閾値電圧が低く高速であるなどの特徴がある。

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