電気電子工学概論 電子回路の応用１ 教科書 ５・２，６・２ 半導体の復習 Si ∼n形半導体∼ 伝導帯 ドナー準位 Si As Si Si 禁制帯 価電子帯 半導体の復習 Si Si B ∼p形半導体∼ 伝導帯 Si 禁制帯 アクセプタ準位 Si 価電子帯 pn接合 ∼空乏層と拡散電位∼ p形半導体とn形半導体を くっつけると p形半導体 n形半導体 n形半導体 空乏層(空間電荷層)の形成 内部電界(拡散電位)の発生 p形半導体 n形半導体 拡散によるキャリアの移動 内部電界 内部電界が キャリアの拡散を止める pn接合 ∼整流性∼ pn接合に電圧をかけると ＋ p形半導体 − n形半導体 正孔 電子 電流 p→+, n→-:電流が流れる (順方向) p→-, n→+:電流が流れない (逆方向) − ＋ 電子 正孔 電流 pn接合 ∼電流-電圧(I-V)特性∼ 順方向・・・内部電界(拡散電位)を打ち消すように電圧 を印加するため電流が流れやすい。 逆方向・・・ごくわずかの電流が流れる。 電流 拡散電流の式 ⎧ ⎛ qV ⎞ ⎫ I = I S ⎨exp⎜ ⎟ − 1⎬ ⎩ ⎝ kT ⎠ ⎭ IS：飽和電流、q:電子の電荷 k:ボルツマン定数、T:温度 電圧 pn接合 ∼バラクタダイオード∼ pn接合面は正負電荷が対面した高抵抗層(空乏層) →電極を対向させたコンデンサCや 拡散電位φ0の電池のように働く。 容量 拡散容量(空乏層容量)の式 dQ qεN A N D 1 C= = dV 2( N A + N D ) φ0 − V ε：半導体の誘電率、q:電子の電荷 NA:アクセプタ密度、ND:ドナー密度 Cの値は印加電圧Vによって変化する。 電圧 pn接合 ∼降伏電圧∼ pn接合の逆方向電圧（負電圧） を大きくしていき-VBになると、 電流 ・急激に電流が増大 ・やがて電圧を下げても電流が 増加し続ける。 ・絶縁物の絶縁破壊と同じ ような現象。 ・温度が上昇し、pn接合は 焼損する。 -VB 電圧 pn接合 ∼ツェナダイオード∼ 電流 不純物（アクセプタとドナー）の 量を多くしたp+n+接合では、 ・電圧-VZで電流が急激に増大。 ・空乏層幅が非常に狭くなり、 キャリアが空乏層をトンネル。 -VB -VZ ・温度上昇による破壊が起こら ない程度の電流であれば、電 圧を下げれば元の特性に戻る。 定電圧ダイオードとも呼ばれ、 電子回路では、一定電圧を保持するのに利用 電圧 発光ダイオード ∼発光機構∼ 伝導帯の電子と価電子帯の 正孔が再結合すると、 伝導電子 伝導帯 光 電子はエネルギーEgを放出 エネルギーEgの光を発光 E g = hν = h c λ h:プランク定数、ν:光の振動数 λ:光の波長、c:光速 Eg 正孔 禁制帯 価電子帯 発光ダイオード ∼pn接合での発光∼ 光 pn接合に順方向電圧を加えると、 pn接合に電流が流れる。 電子：n形からp形へ 正孔：p形からn形へ 接合付近で電子と正孔が再結合 →接合付近から発光 光の波長λは p n ＋ − 正孔 電子 再結合 発光ダイオード ∼2重へテロ構造∼ ヘテロ接合・・・異種材料の接合 2重ヘテロ接合に順方向電圧を加えると、 GaAs層で電子と正孔が再結合 n層から注入された電子はヘテロ接合の障壁により p形AlGaAsへ拡散できない →GaAs層で強い発光 AlxGa1-xAs GaAs AlyGa1-yAs p p n 光 + 正孔 電子 再結合 リング電極 発光面 フォトダイオード ∼光起電力∼ pn接合に光(エネルギーE≧Eg)を照射すると、 ・電子-正孔対が生成 ・内部電界により電子はn形へ、正孔はp形へ移動 →ドリフト ・n形がー極、p形が＋極→光起電力 光 p 伝導電子 伝導帯 光 Eg 正孔 禁制帯 価電子帯 内部電界 ＋ n − 正孔 電子 フォトダイオード ∼pin PDとAPD∼ pinフォトダイオード・・・暗電流が少ない。 暗電流・・・光の入射がない状態での電流。 光検出の感度の低下をもたらす。 アバランシェフォトダイオード(APD) ・・・感度を上げるため、バイアス電圧を上げて アバランシェ増倍作用を利用 アバランシェ増倍作用（電子なだれ) ・・・大きなバイアス電圧のもと、電子が加速され、 原子と衝突し複数の電子を弾き出す。この繰 返しにより電子が増える。 金属・半導体接合 ∼ショットキー接合∼ ショットキー障壁ダイオード ・・・金属と半導体が接触して整流性を持つ接合 n形半導体の伝導電子のエネルギーφSが金属 の伝導電子のエネルギーφMより高い場合 金属 n形半導体 エネルギーの低いほうへ 電子が移動 空乏層(空間電荷層)の形成 内部電界(拡散電位)の発生 内部電界 内部電界が電子の移動を止める 金属・半導体接合 ∼整流性∼ ショットキー障壁ダイオードに電圧をかけると 金属 n形半導体 金属→+:電流が流れる(順方向) 金属→-:電流が流れない(逆方向) 電流 電流 − ＋ 電子 ＋ − 電子 金属・半導体接合 ∼オーム性接合∼ 金属の伝導電子のエネルギーφMがn形半導体 の伝導電子のエネルギーφSより高い場合 電流 ・金属から半導体へ(エネルギーの 低いほうへ)移動。 オーム性 ・半導体に空乏層は形成されず障壁 は生じない。 →オーム性接合(オーミック接合) 電流は電圧に比例 (オームの法則が成立) ショットキー 電圧 整流回路 ∼半波整流∼ 整流回路・・・交流を直流に変換する回路 + v1が正の場合 ダイオード i v1 ∼ RL - v1 t - 入力電圧 v1 ∼ v1が負の場合 ダイオードは順方向 i t ダイオード 出力電流 RL + ダイオードは逆方向 整流回路 ∼全波整流∼ + v1が正の場合 D1 v1 ∼ RL - v1 D2 D1は順方向 D2は逆方向 i t t 入力電圧 - D1 v1 ∼ v1が負の場合 出力電流 RL + D2 D1は逆方向 D2は順方向 整流回路 ∼平滑回路∼ 平滑回路・・・脈動波(リップル)を平均化する回路 大きなコンデンサCを負荷RLと並列 に接続しRC回路の過渡現象を利用 i i v1 ∼ C RL i v1 ∼ C RL i t 出力電流 t 出力電流
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