28.【可視化】pn接合バンド構造を3Dアニメーションで見てみる

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静止図だと、何が分かりづらい？ 🤔

pn接合のバンド図は、教科書ではたいてい次の形で示されます。

• 横軸：位置 x
• 縦軸：エネルギー

しかし実際の pn 接合では、

• 印加バイアス Va
• 内蔵電位 Vbi
• 空乏層幅の変化

が同時に関係し、
バンド構造は 条件に応じて連続的に変形します。

静止図では、
この「条件による変化の流れ」を掴むのが難しいのが正直なところです。

🎞 3Dアニメで見てみる

そこで、pn接合のバンド構造を
位置 × バイアス × エネルギー の 3D で可視化しました。

軸の意味

• x軸：位置（p → n）
• y軸：印加バイアス Va
• z軸：エネルギー（Ec / Ev）

👉 「バンドが曲がる」ではなく、
👉「エネルギー“面”が条件とともに動く」
ということが直感的に分かります。

🧩 GIF生成コード（抜粋）

この GIF は、Python（matplotlib）で
バイアス条件を1ステップずつ追加しながら描画しています。

from matplotlib.animation import FuncAnimation

ani = FuncAnimation(fig, update, frames=Nv, interval=200)
ani.save("pn_band_energy_surface.gif", writer="pillow", fps=5)

• Va を掃引
• エネルギー面を順に追加
• 3D surface を「成長」させる構成

📌 3D図を回しているのではなく、
📌 条件を積み上げていくアニメなのがポイントです。

📎 使用したPythonコード

GIF生成に使用したコードはこちらです👇

• pn接合バンド構造 3Dアニメ生成
  https://github.com/Samizo-AITL/qiita-articles/blob/main/demos/gif_anim/pn_junction_band_surface_animation.py

そのまま実行すると、
この記事で使っている GIF が出力されます。

✨ この可視化で伝えたいこと

• 空乏層が「広がる」とはどういう意味か
• バイアスでバリアが「下がる」とは何か

これらを、
数式や文章の前にイメージとして掴むことが目的です。

次の記事では、
制御理論（P制御）を同じ方法で可視化します 👉