1.2 PN接合と整流特性

1.2 PN Junction and Rectification Properties

🎯 本節のねらい｜Objective

前節では、n型およびp型半導体のキャリア特性を理解しました。
本節では、これらを接合した PN接合 の構造と動作について、
バンド図と電位分布を用いて解説します。

In the previous section, we studied the carrier properties of n-type and p-type semiconductors.
This section explores the PN junction, focusing on its band structure and potential distribution.

🔹 接合前の状態｜Before Contact

n型半導体（n-type）：電子が多数、Efは伝導帯に近い
p型半導体（p-type）：正孔が多数、Efは価電子帯に近い

📘 図1.2-1：n型・p型のバンド図（接合前）
Figure 1.2-1: Band Diagram Before Contact

![図1.2-1 バンド図（接合前）](../images/pn_band_precontact.png)

🔹 拡散と空乏層の形成｜Diffusion and Depletion Region

電子はn型からp型へ、正孔はp型からn型へ拡散
拡散によりキャリアが消失した領域には、固定イオンが残留
その結果、電荷分離が起こり、空乏層（Depletion Region）が形成される

📘 図1.2-2：空乏層と内部電位分布
Figure 1.2-2: Depletion Region and Built-in Potential

![図1.2-2 空乏層とポテンシャル](../images/pn_depletion_potential.png)

🔹 バンド図（熱平衡時）｜Band Diagram at Thermal Equilibrium

全体のフェルミ準位（Ef）が揃う：熱平衡状態
バンドが滑らかに曲がり、内蔵電位（内在ポテンシャル）が形成される
このポテンシャルが、キャリアの流れを抑制する「壁」となる

📘 図1.2-3：PN接合のバンド図（熱平衡）
Figure 1.2-3: PN Junction Band Diagram (Equilibrium)

![図1.2-3 熱平衡時のバンド図](../images/pn_band_equilibrium.png)

🔹 バイアス印加時の動作｜Bias-Dependent Behavior

状態 / Condition	バイアス / Bias Direction	空乏層 / Depletion Width	電流の流れ / Current Flow
順方向 (Forward)	p → n	狭くなる / Narrows	電流が流れる / Conducts
逆方向 (Reverse)	n → p	広がる / Widens	電流はほぼ流れない / Blocks (except leakage)

📘 図1.2-4：順方向・逆方向のバンド構造変化
Figure 1.2-4: Band Diagram under Forward/Reverse Bias

![図1.2-4 バイアス時バンド図](../images/pn_band_bias.png)

🔹 ダイオード動作｜Diode Behavior from PN Junction

順方向では空乏層が縮小し、電流が流れる（整流）
逆方向では空乏層が拡大し、電流はほぼ遮断される
この一方向伝導が、整流作用（Rectification）の本質

📐 理想ダイオード方程式：

\[I = I_0 \left( e^{\frac{qV}{kT}} - 1 \right)\]

$I$ ：電流、 $I_0$ ：逆方向飽和電流（leakage current）
$V$ ：印加電圧、 $kT/q$ ：熱電圧（約25.9 mV @ 300K）

🔸 実務で重視される逆リーク特性｜Reverse Leakage in Practice

実際の半導体業務では、PN接合ダイオードの逆方向リーク電流（IR）が
製品の待機電力、高温耐性、信頼性設計において非常に重要です。

✅ 主な理由｜Key Reasons

🔹 IC全体のスタンバイ電流（IDDq）を支配する主要要因
アナログフロントエンド、センサ、メモリ、ロジックなどあらゆる回路に影響を与える
🔹 高温下での指数的増加
IR は温度依存性が高く、10℃上昇で約2倍になる場合があります。
🔹 プロセス品質・界面欠陥の指標
拡散プロファイルや界面状態の違いが、リークに大きく影響します。
🔹 製品仕様で明示される重要パラメータ
多くのデータシートで以下のように明記されます：

Reverse Leakage Current: IR ≤ 100 nA @ VR = 5 V, Ta = 25℃

🧪 測定条件と信頼性評価｜Test Conditions and Reliability Use

測定項目 / Parameter	条件例 / Test Condition	補足
IR（逆リーク電流）	VR = 5–50 V, Ta = 25–150℃	温度を変えて測定することが多い
BV（降伏電圧）	IR = 10 µA 到達点	ソフトブレークダウンと区別必要
高温ストレス	HTRB, HTOL, TDDBなど	リーク増加で不良検出する方式も

🔧 実務応用例｜Examples in Industry

IC全体のスタンバイ電流を決定する主要因としての逆リーク
高温時リーク増加を考慮した車載・宇宙向け設計
製造ラインでのウェハモニタ用途（歩留まり・欠陥検出）
ESD素子・クランプ回路がリーク源になる事例への注意

✅ まとめ｜Summary

観点	内容（日本語）	内容（英語）
接合効果	空乏層と内蔵電位が形成される	Depletion region and built-in potential form
バンド整合	Efが全体で一定に揃う（熱平衡）	Fermi level becomes uniform (equilibrium)
バイアス動作	順方向で整流、逆方向で遮断	Forward conducts, reverse blocks
応用	MOS構造や逆バイアス動作に応用	Basis for MOS behavior and reverse-bias design
実務補足	高温時のリーク増大に注意	Leakage increases at high temperatures

📎 次節リンク｜Next Section: 1.3_mos_structure.md

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