pn接合とは？――空乏層と電流を一方向へ流す仕組み

p型半導体とn型半導体を接合したときに生じる空乏層、内蔵電位、順方向・逆方向の動作を説明する。

客観的事実この記事のタイプ：事実・解説

公開 2026/8/28 確認 2026/8/28 読了 8分入門執筆: 知識図書館編集部

この記事の結論

pn接合とは、p型半導体とn型半導体を連続して作った境界です。境界付近にできる空乏層が電流を制御し、ダイオード、トランジスタ、太陽電池、LEDなどの基本になります。

高純度のシリコンへ微量の不純物を加えると、電気を運ぶ粒子の種類と数を調整できます。

正孔は実体の粒子というより、結合に空いた席が移動しているように扱う考え方です。正の電荷を持つ粒子のように振る舞います。

p型とn型を接触させると、n型側の電子はp型側へ、p型側の正孔はn型側へ拡散します。境界付近で電子と正孔が再結合すると、移動できるキャリアが少ない領域が残ります。これが空乏層です。

空乏層には動かないイオン化不純物が残り、内部電界と電位差が生じます。この内蔵電界は、電子と正孔が無制限に拡散するのを止めます。

p型側を高い電位、n型側を低い電位にすると、外部電圧が接合部の障壁を弱めます。十分な電圧になると電子と正孔が接合を越えやすくなり、電流が増加します。

シリコンダイオードでよく言われる約0.7 Vは固定値ではありません。電流、温度、素子構造によって順方向電圧は変わります。

p型側を低い電位、n型側を高い電位にすると、空乏層が広がって多数キャリアは接合を越えにくくなります。ただし、ごく小さな漏れ電流は流れます。

逆方向電圧を上げすぎると、ツェナー降伏やアバランシェ降伏が起こり、電流が急増します。降伏を利用する素子もありますが、許容範囲を超えると破壊につながります。

pn接合は整流だけでなく、光と電気の変換にも使われます。再結合時に光を出すLED、光で電子・正孔対を作るフォトダイオード、光エネルギーを取り出す太陽電池が代表例です。