前回のチュートリアルで説明した効果は、実際のPN接合に外部電圧を印加せずに達成され、接合は平衡状態にあります。
しかし、N 型と P 型の両方の材料の端に電気接続を行い、それらをバッテリー電源に接続すると、電位障壁を克服するための追加のエネルギー源が存在するようになります。 ポテンシャル障壁の幅に関する PN 接合の動作により、PN 接合ダイオードとしてよく知られている非対称の導電性 2 端子デバイスが生まれます。 しかし、抵抗とは異なり、ダイオードは印加電圧に対して直線的に動作せず、指数関数的な電流-電圧（I-V）関係を持つため、オームの法則などの方程式だけではその動作を説明することはできません。
PN接合の両端に適切な正電圧（順バイアス）をかけると、PN接合周辺の空乏層の幅が狭くなり、自由電子と正孔に接合を渡るのに必要な余分なエネルギーを供給できる。
負の電圧（逆バイアス）をかけると、自由電荷は接合から引き離されて、空乏層の幅は広くなる。 これは、接合部自体の実効抵抗を増減させる効果があり、ダイオードのpn接合を流れる電流を許容または阻止します。
次に、逆電圧の印加が増加すると空乏層が広がり、順電圧の印加が増加すると空乏層が狭くなります。 これは、PN接合の両側の電気的特性の違いにより、物理的な変化が起こるためである。 その結果、PN接合ダイオードの静的I-V（電流-電圧）特性で見られるように、整流が起こるのです。
接合型ダイオードの記号と静的 I-V 特性
しかし、PN 接合を実際のデバイスまたは整流デバイスとして使用するには、まず接合にバイアス、つまり電位を接続する必要があります。 上の電圧軸で、「逆バイアス」とは、電位差を大きくするような外部電位を指します。
標準的な接合ダイオードには2つの動作領域と3つの可能な「バイアス」条件があり、これらは次のとおりです。
- 1.ゼロバイアス – PN接合ダイオードに外部電圧ポテンシャルを印加しない。 2.逆バイアス-ダイオードを挟んでP型に-ve、N型に+veの電位をかけ、PN接合ダイオードの幅を広げる効果があります。 3577>
Zero Biased Junction Diode
ダイオードがゼロバイアス状態で接続されると、PN接合部には外部からの電位エネルギーが印加されない。 しかし、ダイオードの端子を短絡すると、電位障壁を乗り越えるだけのエネルギーを持ったP型物質の少数の正孔（多数キャリア）が、この障壁電位に逆らって接合を横切って移動してきます。 これは「順方向電流」と呼ばれ、IF
と表記されます。同様に、N型材料に発生した正孔（少数キャリア）は、この状況を好ましく思い、接合を越えて反対方向に移動していきます。 これは「逆電流」と呼ばれ、IRと表記される。 5561>
Zero Biased PN Junction Diode
現在存在する電位障壁は、これ以上多数キャリアを接合に拡散させないようにするものである。
そして、多数キャリアが等しく、両方とも反対方向に動くとき、「平衡」またはバランスが確立され、その結果、回路に流れる電流はゼロになる。
少数キャリアは熱エネルギーによって常に生成されるので、PN 接合の温度を上げると少数キャリアの生成が増加してこの平衡状態が崩れ、その結果漏れ電流が増加するが、PN 接合に回路が接続されていないため電流が流れることはない。
逆バイアスPN接合ダイオード
ダイオードを逆バイアス状態で接続すると、N型材料に正電圧、P型材料に負電圧が印加され、N型材料に正電圧、P型材料に負電圧が印加される。
N型材料に印加された正電圧は、電子を正電極に引き寄せ、接合から遠ざけ、P型端の正孔も接合から負電極に引き寄せます。
結果として、空乏層は電子と正孔の不足により広がり、高インピーダンスパス、ほぼ絶縁体を示し、接合に高電位障壁が生じ、半導体材料を流れる電流を阻止することができます。
逆バイアスによる空乏層の増加
この状態はPN接合に高い抵抗値を示し、バイアス電圧を増加させると接合ダイオードに流れる電流は実質的にゼロになります。
最後に、ダイオードに印加される逆バイアス電圧 Vr が十分に高い値まで増加すると、ダイオードの PN 接合が過熱し、接合部のアバランシェ効果により故障することがあります。 このため、ダイオードは短絡状態となり、最大回路電流が流れ、下記の逆静特性曲線にステップ状の下り勾配として示されます。
接合型ダイオードの逆特性曲線
このアバランシェ効果は電圧安定化回路で実用化されており、ダイオードと共に直列制限抵抗を使ってこの逆ブレークダウン電流をあらかじめ設定した最大値に制限し、ダイオードに一定の電圧を発生させて出力することが行われている場合がある。 5561>
順方向バイアスPN接合ダイオード
ダイオードが順方向バイアス状態で接続されると、N型材料に負の電圧が、P型材料に正の電圧が印加されることになります。
これは、負電圧が電子を接合部へ押し出すか反発させ、電子が交差するエネルギーを与え、正電圧によって接合部へ反対方向に押し出された正孔と結合するためである。 この結果、静特性曲線では、この電圧点までは電流がゼロで、静特性曲線では「ニー」と呼ばれ、その後、外部電圧の上昇に伴い、下図のようにダイオードに大電流が流れるようになります。
接合型ダイオードの順方向特性曲線
接合型ダイオードに順方向バイアス電圧をかけると、空乏層は非常に薄く狭くなり、接合部を通る低インピーダンス経路となり、それによって大電流を流せるようになるのです。 5561>
順バイアスによる空乏層の減少
この状態は、PN 接合の低抵抗経路で、バイアス電圧をわずかに上昇させるだけで非常に大きな電流がダイオードを通って流れるようになることを表しています。
ダイオードは、事実上短絡になるため、このニーポイント以上では「無限」の電流を流すことができるので、電流を制限するためにダイオードと直列に抵抗器が使用されます。
Junction Diode Summary
Junction Diode の PN 接合領域は、次の重要な特性を持っています：
- 半導体には、「ホール」と「電子」の 2 種類の移動電荷キャリアがあります。
- 半導体は、アンチモンなどのドナー不純物をドーピングして、主に電子である移動電荷を含むようにすることができます (N型ドーピング)。
- 半導体は、ボロンなどのアクセプタ不純物をドープして（P型ドーピング）、主に正孔である移動電荷を含むようにすることができます。
- 接合（空乏）領域は、印加電圧によって物理的な厚みが変わります。
- ダイオードがゼロバイアスの場合、外部エネルギーは印加されず、空乏層全体に自然の電位差が発生し、それはおよそ0.5%になります。
- 接合ダイオードが順方向バイアスされると、空乏領域の厚さが減少し、ダイオードは短絡のように作用して全回路電流が流れるようになります。
- 接合ダイオードが逆方向バイアスされると空乏領域の厚さが増加し、ダイオードは開回路のように作用して電流がブロックされます（非常に小さな漏れ電流だけが流れます）。
また、ダイオードは2端子非線形素子で、印加電圧VDの極性によってI-V特性が順バイアス（VD > 0）か逆バイアス（VD < 0）になることを上述しました。 5561>
ジャンクションダイオードの理想と現実の特性
ダイオードについての次のチュートリアルでは、一般の電子回路で使用されている小信号ダイオード（スイッチングダイオードと呼ぶこともあります）を取り上げます。 その名前が示すように、信号用ダイオードは、ラジオやデジタルスイッチング回路などの低電圧または高周波信号アプリケーション向けに設計されています。
1N4148などの信号用ダイオードは、通常シリコンダイオードが使用される大電流メイン整流ダイオードに対して、非常に小さな電流しか流さないのです。 また、次回のチュートリアルでは、信号用ダイオードの静的電流電圧特性曲線とパラメータを検証します。
