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1.2 PN接合と整流特性

前節では、n型およびp型半導体がドーピングによってキャリアの性質を制御できることを学びました。本節では、これらを接合したPN接合がどのような電気的特性を持つのかを、バンド構造と電位分布の視点から解説します。

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🔹 接合前のn型・p型半導体

• n型半導体：自由電子が多く、フェルミ準位が伝導帯側に近い
• p型半導体：正孔が多く、フェルミ準位が価電子帯側に近い

図1.2-1：n型・p型それぞれのバンド図（接合前）
![図1.2-1 n型・p型半導体のバンド図（接合前）](../images/pn_band_precontact.png)

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🔹 接合時のキャリア拡散と空乏層の形成

• n型側の電子がp型側へ、p型側の正孔がn型側へ拡散
• キャリアが失われた領域には、固定イオン（ドナー/アクセプタ）が残る
• 結果として、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（内蔵電位）
![図1.2-2 PN接合における空乏層とポテンシャル](../images/pn_depletion_potential.png)

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🔹 バンド図による理解（接合後の平衡状態）

• フェルミ準位は全体で一定（熱平衡）
• バンドが連続的に曲がり、内蔵電位（内在ポテンシャル）が形成される

図1.2-3：PN接合のバンド図（熱平衡時）
![図1.2-3 PN接合の熱平衡バンド図](../images/pn_band_equilibrium.png)

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🔹 バイアス印加時の挙動

状態	バイアス方向	空乏層の変化	電流の流れ
順方向	p → nに電圧印加	空乏層が狭くなる	電流が流れる（整流）
逆方向	n → pに電圧印加	空乏層が広がる	電流はほとんど流れない

図1.2-4：順方向／逆方向バイアス時のバンド図
![図1.2-4 順方向・逆方向バイアス時のバンド構造](../images/pn_band_bias.png)

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🔹 ダイオードモデルとしてのPN接合

• 順方向で電流が流れる、逆方向では遮断される
• 整流作用（rectification）を示す基本素子として機能

• 理想ダイオード方程式：

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

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✅ まとめ

• PN接合は、拡散により空乏層と内蔵電位を形成
• フェルミ準位の整合によりバンドが連続的に曲がる
• バイアス印加により整流動作を示す
• MOS構造における「PN接合的構造」や空乏・反転層の理解に直結する

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📎 次節：1.3_mos_structure.md