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ダイオードに逆電圧を加えた時、電流が流れない理由が理解できません。
下の写真のn型にある自由電子は電源により、銅線を通ってp型に輸送されます。そして、ダイオード内にはn→pの向きに電界が生じているので、自由電子はn型の方に引っ張られて自由電子は問題なく巡回できるのでは?と思ったのですが、何が間違っているのでしょうか?

「ダイオードに逆電圧を加えた時、電流が流れ」の質問画像
gooドクター

A 回答 (8件)

正孔の移動はこんな感じ

「ダイオードに逆電圧を加えた時、電流が流れ」の回答画像8
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P形ではN型とは異なり、価電子は所々で不足している状態で


余ってはいないので、自由電子はほとんどありません。
正孔がすぐ近くの価電子を吸い込む形で電気伝導が行われるので、
正孔の周囲でしか電子は移動は起きません。

P形の正孔が図のように左に寄ってしまうと
(中央の正孔が電子で埋まってしまうと)
電子は中央へ移動する術を失ない、進めなくなります。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
電子が右によるのはわかるのですが、正孔も左に寄ることはできるのでしょうか?私は正孔は固定されていて、動けないものだという認識でした。電子が正孔を移動することであたかも正孔が移動して見えるだけなのかと思っていました。

お礼日時:2021/04/28 12:02

p形領域には正孔が、n形領域には自由電子がそれぞれ大量に存在するので、これらの領域は導体になっていて、電位差は存在してません。

このため、例え左側の電極から電子がp形領域に入ったとしても、右側の空乏層まで動くことは出来ません。
また、一般的にそれぞれの物質は固有の電位を持ってます。2つの金属を接触させた熱電対は、その電位差が温度で変わる事を利用してます。その電位は半導体では入っている不純物によって変わります。p形不純物(ボロン)を入れると元の純粋なシリコンよりも電位が下がって、逆にn形不純物(リン)を入れると高くなります。普通、p形領域はn形よりも0.数V程度低いです。
電位が低い所には、正電荷の正孔が存在し易く、負電荷の自由電子が存在し難くなります。そして、正孔密度nhと自由電子密度neの積がシリコン固有の値ni^2≈10^20cm^-3 (@300K)になります。さらに、p形領域のnhは、ほぼその不純物(ボロン)密度になってます。代表的なボロン濃度は10^17〜10^18cm^-3ですので、自由電子の密度は100〜1000cm^-3になって微々たる量になります。(ちなみに、シリコン原子の密度は5.0x10^22cm-3)

多少難しいですが、半導体素子について詳しい資料として東工大OCW "パワーデバイス特論2016年度"がお勧めです。(http:の後の半角スペースを除いて用いて下さい)
<http: //www.ocw.titech.ac.jp/index.php?module=General&action=T0300&GakubuCD=2&GakkaCD=321717&KeiCD=17&course=17&KougiCD=201606900&Nendo=2016&lang=JA&vid=05>
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まず基本的な話として、Pには自由に動ける正孔があり、Nには自由に動ける電子があります。

図のように空乏層内にN→Pの向きに電界ができていると、Nにある多数キャリアである電子は左側(P側)に行けません。試しに空乏層の真ん中に電子を置いた場合を考えてみてください。その電子はどちらに行きますか?
左側のPが負、右側のNが正に帯電しているわけだからその電子は右に行きます。つまり、右のNにある多数キャリアである電子は空乏層を越えていくことができないということです。正孔も同様の理由で、左(P)から右(N)に移動することはできません。その結果、電流は流れません。
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この回答へのお礼

自由に動ける正孔とありますが、正孔って自由に動けるんですか?私の認識では、自由電子が正孔を飛び飛びで移動した結果、あたかも正孔が動いているように見えるだけだと思ったのですが。
あと、ダイオード内で自由電子はn←pにいけないのは分かりますが、n型の自由電子は銅線を通ってp型に輸送されますよね。そして、自由電子はp型からn型に行こうとするので、結果的に循環できませんか?

お礼日時:2021/04/27 11:43

シリコンなどの半導体材料は、「半導体」というように「絶縁体」と「導体」の両方の特性を持っています。



絶縁体では、原子・分子内の電子は内部に束縛されていて、電場によって「偏り」(誘電効果)は起こりますが、移動はできないので電流は流れません。

「導体」の役割を果たすのはわずかに加えられた「不純物」のもつ「自由電子」です。
この自由電子が「電場に導かれて」移動することにより電流が流れます。

逆電圧をかければ、「絶縁体」であるシリコンが「誘電」してシリコン内に「逆向きの電場」を作るため、自由電子はシリコン内を移動(通過)することができません。

お示しの図は、書き方が悪いですね。「左向き」の「電界」は「電池の作る電場」ですが、それを「シリコン内の誘電(内部の正電荷、負電荷の偏り)が作る逆向きの電場」が打ち消しているという図にしないといけないと思います。
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ダイオード(シリコンダイオード)のシリコンは、絶縁体です。

それに僅かな不純物(ヒ素等)を配合すると電子の等価が変わり、電子が流れたり向きが変わって流れなくなります。
詳しい説明は長くなるので、半導体の構造を調べてください。
ダイオードは、本来2極真空管の事で、熱電子の流れを利用した整流器です。
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30万ボルト位かけると抵抗破壊で電気は流れます。

がこれでは答えになってませんね。
図の方向に電流を流してもp型は正孔に電子が詰まって、p型の電子は
n型の電子を引き寄せません。
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p形領域には電子がほとんど存在し得ないことが理由です。


厳密には、電子は極く僅か存在して、それはp形領域から空乏層に入ってn形に到達して、リーク電流となります。
しかしながら、シリコン素子の場合、そのリーク電流は僅かなので余程(125℃程度?)高温にならない限り無視できます。ただし、ゲルマニウムは、このリーク電流が多いために数十℃(70℃程度?)以上では使うことが出来ないために、(高電圧が得難いこともあって)シリコンに取って替わられました。
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この回答へのお礼

p型領域に電子が存在しないのはなぜでしょうか?電子は電源やn型から送られてこないのでしょうか?

お礼日時:2021/04/27 08:54

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