どうもゆうかです。
LEDなどに用いられるPN接合半導体。フィラメントを光らせる豆電球などはわかりやすいですが、LEDがなんで光っているのかはよくわからない、そんな疑問があると思います。
今回は、PN接合について解説していきます。
PN接合とは
PN接合は、半導体デバイスにおいて重要な役割を果たす接合です。PN接合は、正の（P型）半導体と負の（N型）半導体を接合させることで形成されます。
PN接合は、P型半導体とN型半導体の間で起こる電子の移動によって特徴付けられます。P型半導体は電子の不足を持ち、正孔（電子が存在しない領域）が多く存在します。一方、N型半導体は電子の過剰を持ち、自由電子が多く存在します。
PN接合の形成時、P型半導体領域とN型半導体領域の間で電子と正孔が再結合します。この過程により、PN接合領域には空乏層（デプレッション層）が形成されます。空乏層は電荷のバリアを作り、電流の流れを制限します。
また、PN接合には順方向バイアスと逆方向バイアスの2つの状態があります。順方向バイアスでは、正極側に正電圧、負極側に負電圧がかけられ、電子と正孔の流れが促進されます。逆方向バイアスでは、正極側に負電圧、負極側に正電圧がかけられ、電流の流れは抑制されます。
PN接合は、多くの半導体デバイスで使用されており、例えばダイオードやトランジスタなどがあります。それぞれのデバイスにおいてPN接合の特性が活用され、電子の流れや信号の制御が行われます。
逆バイアスをかけた時に起こる降伏とは？
逆方向バイアスがかかった場合、PN接合において降伏現象が起こることがあります。降伏現象は、逆方向の電圧が一定値を超えると、PN接合内で電流が急激に増加する現象です。
降伏現象は、PN接合内の電場が非常に強くなることによって起こります。逆方向バイアスでは、P領域の負極側に正電圧がかかり、N領域の正極側に負電圧がかかります。この電場の強い領域において、電子や正孔が加速されます。
一定の逆方向電圧を超えると、電子や正孔が電場の強い領域で十分なエネルギーを獲得し、新たな電子と正孔の対を生成することができます。これにより、電流が急増し、PN接合内で降伏現象が発生します。
降伏現象は、PN接合の素子やデバイスにとって望ましくない現象ですが、一部の特定のデバイスではこの現象を利用することもあります。例えば、ZenerダイオードやAvalancheダイオードは、逆方向降伏現象を利用して特定の動作を実現するために設計されています。
降伏現象はPN接合の特性やデバイスの設計において重要な要素ですが、十分な絶縁性や適切な逆方向耐圧（逆方向電圧がかかっても降伏しない限界値）を確保することが重要です。
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