Biophysics · 07.07

半導体ダイオードの機能

The function of the semiconductor diode

🧠 p–n接合ダイオードdiodeダイオード（diode）diode（ダイオード）（p–n junction diode）はバイアスbiasバイアス（bias）bias（バイアス）方向により電流を強く非対称化し、整流rectification整流（rectification）rectification（整流）を行う。

pn接合と空乏層

接合直後に担体の拡散が起こり、固定イオンを含む空乏層depletion layer空乏層（depletion layer）depletion layer（空乏層）と内蔵電場built-in electric field内蔵電場（built-in electric field）built-in electric field（内蔵電場）が形成される。

flowchart TD
  A["p型とn型を接合"]
  B["拡散で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='depletion layer'>空乏層</span>形成"]
  C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bias'>バイアス</span>で障壁を制御"]
  A --> B
  B --> C

ダイオードの電流電圧特性

I=I_s\left[\exp\!\left(\frac{qV}{k_BT}\right)-1\right]

順方向バイアスforward bias順方向バイアス（forward bias）forward bias（順方向バイアス）は電位障壁を低下させ、逆方向バイアスreverse bias逆方向バイアス（reverse bias）reverse bias（逆方向バイアス）は電位障壁と空乏層depletion layer空乏層（depletion layer）depletion layer（空乏層）幅を増大させる。

整流と検出

n型・p型半導体semiconductor半導体（semiconductor）semiconductor（半導体）を接合すると拡散と内蔵電場built-in electric field内蔵電場（built-in electric field）built-in electric field（内蔵電場）が釣り合う空乏層depletion layer空乏層（depletion layer）depletion layer（空乏層）ができる。温度による担体数carrier population担体数（carrier population）carrier population（担体数）の変化は半導体semiconductor半導体（semiconductor）semiconductor（半導体）伝導率conductivity伝導率（conductivity）conductivity（伝導率）にも影響する。

順方向電流forward current順方向電流（forward current）forward current（順方向電流）は指数関数的exponentially指数関数的（exponentially）exponentially（指数関数的）に増える。
逆方向電流reverse current逆方向電流（reverse current）reverse current（逆方向電流）は降伏breakdown降伏（breakdown）breakdown（降伏）前まで小さい。
LEDとフォトダイオードdiodeダイオード（diode）diode（ダイオード）も接合部のエネルギー変換を利用。

材料・生体への応用

医用電子工学biomedical electronics医用電子工学（biomedical electronics）biomedical electronics（医用電子工学）の整流器rectifier整流器（rectifier）rectifier（整流器）、センサー、光検出器light detector光検出器（light detector）light detector（光検出器）に用いる。

まとめ

p–n接合ダイオードdiodeダイオード（diode）diode（ダイオード）はバイアスbiasバイアス（bias）bias（バイアス）方向により電流を強く非対称化し、整流rectification整流（rectification）rectification（整流）を行う。
順方向電流forward current順方向電流（forward current）forward current（順方向電流）は指数的に増える。
医用電子工学biomedical electronics医用電子工学（biomedical electronics）biomedical electronics（医用電子工学）の整流器rectifier整流器（rectifier）rectifier（整流器）、センサー、光検出器light detector光検出器（light detector）light detector（光検出器）に用いる。