半導体 / 様々なダイオード

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固体素子(半導体)

固体の帯理論

・真性半導体 (69pm78)
:伝導電子の密度n と正孔の密度p が等しい半導体
 フェルミ準位はバンドギャップの中央に位置する

・n 形半導体 (69pm78、66.56、60.56)
: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Sb、P、As
 (いずれも15 族元素)

・p 形半導体 (71pm77、60.56)
: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B、Al、Ga、In
 (いずれも13 族元素)

・フェルミ準位 (66.56、60.56)
 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

・抵抗率 (69pm78)
:絶縁体の抵抗率は1014[Ωm]
 シリコンの抵抗率は約105[Ωm]   
 導体(銅)の抵抗率は10-4[Ωm] 

・熱電効果

 (69pm78、68am77、65.56、60.56)
 電気伝導体や半導体などで、熱エネルギーと電気エネルギーが相互に及ぼし合う以下の三つの効果の総称
 「ゼーベック効果」
 「ペルティエ効果」
 「トムソン効果」
 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

・ホール効果

 (68am77)
 半導体などで、電流に対して垂直に磁場をかけると、電流と磁場の両方に直交する方向に起電力が現れる現象

pn接合(ダイオード)

 (71pm77、70am77、66.56、64.56、60.56)
 p型、n型半導体を接合すると両方のフェルミ準位Ef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n→p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 (66.56、64.56)
 電子がp→n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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色々なダイオード

 (67am77、64.56、63.55)
・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(静電容量)の電圧依存性を利用した可変容量のダイオード
 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
 → 定電圧回路に利用

★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、接合付近で自由電子と正孔が再結合して消滅し、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Ge、Si 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
 逆方向電圧の印加中、光照射によって自由電子と正孔が生成され、逆電流が流れ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、半導体と金属の接触により整流作用を示す場合があり、これをショットキ・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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