順方向バイアスと逆方向バイアスの違い：空乏層・障壁・電流・容量・用途を比較
PN接合ダイオードは、電圧をかける向きによって性質が大きく変わります。順方向バイアスは、p側に正、n側に負の電圧をかけることです。接合の電位障壁が下がり、多数キャリアが接合を越えて相手側へ注入されるので、電流は電圧とともに指数関数的に増えます。逆方向バイアスは、p側に負、n側に正の電圧をかけることです。障壁が高くなって空乏層が広がり、ごくわずかな逆方向電流しか流れません。順方向は整流やLEDの発光に、逆方向は光の検出、電圧で変わる容量、降伏を使った定電圧などに使われます。
| 項目 | 順方向バイアス | 逆方向バイアス |
|---|---|---|
| 電圧のかけ方 | p側(アノード)に正、n側(カソード)に負 | p側(アノード)に負、n側(カソード)に正 |
| 空乏層の幅 | 狭くなる。幅は√(Vbi − V)に比例する(Vbiは内蔵電位) | 広くなる。幅は√(Vbi + VR)に比例し、VRが内蔵電位より十分大きければ、電圧を4倍にすると約2倍になる |
| 電位障壁の高さ | q(Vbi − V)に下がる | q(Vbi + VR)に上がる |
| 電流とキャリアの動き | 多数キャリアが障壁を越えて相手側へ注入され、少数キャリアとして拡散する(拡散電流) | 空乏層やその近くで熱的に生じた少数キャリアが、電界で流されるだけのごく小さな電流 |
| 電流と電圧の関係 | I ≈ Is·exp(qV/nkT)。理想係数n = 1なら、室温で約60 mVごとに電流が10倍になる。シリコンでは一般に0.6〜0.7 V程度から大きな電流が流れる | 電圧によらずほぼ一定の小さな電流(理想的には−Is。実際には空乏層での生成電流が加わる)。温度が上がると大きく増える |
| 支配的な容量 | 拡散容量。注入された少数キャリアの蓄積による容量で、電流にほぼ比例して大きくなる(Cd ≈ τI/(nkT/q)) | 接合容量(空乏層容量)。C = εA/Wで、逆バイアスを大きくするほど小さくなる |
| 数値の例(p側1×10¹⁹ cm⁻³、n側1×10¹⁶ cm⁻³の階段接合、室温、空乏近似での目安) | 内蔵電位は約0.89 V。空乏層の幅は0 Vで約0.34 µm、0.5 Vの順方向バイアスで約0.23 µm | 空乏層の幅は逆バイアス5 Vで約0.87 µm、20 Vで約1.6 µm。5 Vでの接合容量は0 Vのおよそ0.39倍 |
| 降伏 | 起こらない。大電流では直列抵抗や発熱が電流を制限する | ある電圧を超えると、なだれ降伏やツェナー降伏で電流が急に増える |
| 主な用途 | 整流回路で導通する向き、LEDやレーザーダイオードの発光、バイポーラトランジスタのベース-エミッタ接合、温度センサー | フォトダイオード、可変容量ダイオード(バラクタ)、ツェナーダイオード(降伏させて使う)、アバランシェフォトダイオード、接合による素子の分離 |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。