に P-N接合ダイオードシリコン片の片面にP型ドーパント（ボラン）をドープし、もう片面にN型ドーパント（リン）をドープすることで形成されます。シリコンの代わりにGeを使用できます。 P-N接合ダイオードは2端子デバイスです。これがP-N接合ダイオードの基本構造です。電流が一方向にしか流れないため、最も単純な半導体デバイスの1つです。ダイオードは、印加電圧に対して線形に動作せず、指数関数的なV-I関係にあります。

P-N接合ダイオードとは何ですか？

P-N接合ダイオードは、2つの端子を持つシリコン片です。端子の1つはP型材料でドープされ、もう1つはN型材料でドープされています。 P-N接合は、半導体ダイオードの基本要素です。半導体ダイオードは、一方向にのみ電子の流れを完全に促進します。これが半導体ダイオードの主な機能です。整流器としても使用できます。

P-N接合

PN接合ダイオード理論

PタイプとNタイプの2つの動作領域があります。また、印加電圧に基づいて、P-N接合ダイオードには次の3つの「バイアス」条件が考えられます。

ゼロバイアス –PN接合ダイオードに外部電圧が印加されていません。
順方向バイアス –電位は、ダイオードのP型端子に正に接続され、N型端子に負に接続されます。
逆バイアス –電位は、ダイオードのP型端子に負に接続され、N型端子に正に接続されます。

ゼロバイアス状態

この場合、P-N接合ダイオードには外部電圧が印加されないため、電子はP側に拡散し、同時に正孔は接合を介してN側に拡散し、互いに結合します。このため、これらの電荷キャリアによって電界が生成されます。電界は、電荷キャリアのさらなる拡散に対抗するため、中央領域での動きはありません。この領域は、空乏幅または空間電荷として知られています。

偏りのない状態

順方向バイアス

順バイアス状態では、バッテリーのマイナス端子はN型材料に接続され、プラス端子はバッテリー Pタイプの材料に接続されています。この接続は、正の電圧を与えることとも呼ばれます。 N領域からの電子は接合部を通過し、P領域に入ります。 P領域で生成される引力により、電子は引き付けられ、正の端子に向かって移動します。同時に、穴はバッテリーのマイナス端子に引き付けられます。電子と正孔の動きによって電流が流れます。この状態では、正イオンと負イオンの数が減少するため、空乏領域の幅が狭くなります。

順バイアス状態

V-Iの特徴

正の電圧を供給することにより、電子はポテンシャル障壁（空乏層）を克服して接合部を通過するのに十分なエネルギーを取得し、同じことが正孔でも起こります。接合を横切るために電子と正孔が必要とするエネルギー量は、Geの場合は0.3 V、Siの場合は0.7 V、GaAsの場合は1.2Vの障壁電位に等しくなります。これは、電圧降下とも呼ばれます。ダイオード両端の電圧降下は、内部抵抗が原因で発生します。これは、以下のグラフで確認できます。

順バイアスV-I特性

逆バイアス

順バイアス状態では、バッテリーのマイナス端子はN型材料に接続され、バッテリーのプラス端子はP型材料に接続されます。この接続は、正の電圧を与えることとしても知られています。したがって、電圧層と空乏層の両方による電界は同じ方向にあります。これにより、電界が以前よりも強くなります。この強い電界のために、電子と正孔は接合部を通過するためにより多くのエネルギーを必要とし、反対の領域に拡散することはできません。したがって、電子と正孔の動きがないため、電流は流れません。

逆バイアス状態の空乏層

N型半導体からの電子は正の端子に引き付けられ、P型半導体からの正孔は負の端子に引き付けられます。これにより、N型の電子数とP型の正孔数が減少します。また、N型領域では陽イオンが生成され、P型領域では陰イオンが生成されます。

逆バイアスの回路図

したがって、正イオンと負イオンの数が増えるため、空乏層の幅が広がります。

V-Iの特徴

結晶の熱エネルギーにより、少数キャリアが生成されます。少数キャリアとは、N型材料の正孔とP型材料の電子を意味します。これらの少数キャリアは、それぞれ負の端子と正の端子によってP-N接合に向かって押し出される電子と正孔です。少数キャリアの移動により、電流はごくわずかしか流れません。これはナノアンペアの範囲です（シリコンの場合）。この電流は逆飽和電流と呼ばれます。飽和とは、最大値に達した後、電圧の増加に伴って電流値が同じままである定常状態に到達することを意味します。

逆電流の大きさは、シリコンデバイスの場合はナノアンペアのオーダーです。逆電圧が限界を超えて増加すると、逆電流が大幅に増加します。逆電流の急激な変化を引き起こすこの特定の電圧は、逆方向降伏電圧と呼ばれます。ダイオードブレークダウンは、アバランシェブレークダウンとツェナーブレークダウンの2つのメカニズムによって発生します。

I = IS [exp（qV / kT）-1]
K –ボルツマン定数
T –接合部温度（K）
（kT / q）室温= 0.026V

通常、ISは約10-17……10-13Aの非常に小さな電流です。

したがって、次のように書くことができます。

I = IS [exp（V / 0.026）-1]

逆バイアスのV-I特性グラフ

PN接合ダイオードの応用

P-N接合ダイオードには多くの用途があります。

逆バイアス構成のP-N接合ダイオードは、可視光を含む400nmから1000nmの範囲の光に敏感です。したがって、フォトダイオードとして使用できます。
太陽電池としても使用できます。
P-N接合順バイアス条件はすべてで使用されます LED照明アプリケーション。
バイアスされたP-N接合の両端の電圧は、温度センサー、および基準電圧。
多くのサーキットで使用されています整流器、のバラクター電圧制御発振器。

P-N接合ダイオードのV-I特性

グラフは別のものに変更されます半導体材料 P-N接合ダイオードの構築に使用されます。次の図は、変更を示しています。

シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素との比較

“アークフォールトブレーカーは何に使用されますか ”

これはすべてについてです P-N接合ダイオードの理論、動作原理とその応用。この記事に記載されている情報は、この概念をよりよく理解するのに役立つと信じています。さらに、この記事に関する質問や実装のヘルプについては電気および電子プロジェクト、以下のコメントセクションにコメントすることで、私たちにアプローチすることができます。ここにあなたへの質問があります– P-N接合ダイオードの主な用途は何ですか？

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