整流作用とpn接合

整流作用とpn接合

 

いま社会全体の流れとしてIOT化が進む中で、スマートハウスやセロエネルギーハウスの普及が挙げられます。

 

スマートハウスやゼロエネルギーハウスには、家庭用蓄電池としてこのリチウムイオン電池が主に採用されており、かつ太陽電池や燃料電池と組み合わせることで、総合的にエネルギーを有効活用しています。

 

太陽光発電やダイオードの構成部材としてp型半導体・n型半導体から成るpn接合が使用されています。pn接合には「整流作用」とよばれるものが機能があります。

 

この整流作用とはどのようなものか知っていますか。

 

ここでは、整流作用に関わる以下の内容について解説していきます。

 

・整流作用とは 順方向電圧をpn接合に印加する場合

 

・整流作用 逆方向電圧をpn接合に印加する場合

 

というテーマで解説していきます。

 

 

整流作用とは 順方向電圧をpn接合に印加する場合

 

整流作用とは、電気回路においてある一方向にのみ電流が流れる機能のことを指します。整流作用を持ったデバイスのことを整流器とよびます。

 

pn接合が組み込まれているデバイスでは整流作用が働き、代表的なpn接合を持つ装置には「ダイオード」や「太陽電池」が挙げられます。

 

以下にpn接合のイメージを示します(pn接合の原理についてはこちらで解説しています)。

 

 

pn接合には整流作用があることを示すために、pn接合に電圧を印加したときに起こる現象を考えてみましょう。

 

プラス極に電子を受け取る材料(p型半導体)、マイナス極に電子を放出する材料(n型半導体)をセットし、電圧を印加させます。この方向に印加するときの電圧を順方向電圧(もしくは順バイアス)と呼びます。

 

順方向電圧を印加すると、プラスの電極に負の電荷を帯びた電子が引き寄せられておきます。結果として、
空乏層(電気二重層)の電場を破って、n型半導体内の自由電子がp型半導体の空孔(ホール)に移動します。

 

(電子移動がマイナスからプラスに向かうことは電池の放電反応と同じといえます)

 

つまり、順方向電圧を印加したとき、半導体内にダイオード内部のpn接合には電流が流れるのです。

 

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整流作用 逆方向電圧をpn接合に印加する場合

 

それでは、逆方向に電極をつないで電圧を印加したときを考えてみましょう。

 

マイナス極にp型半導体、プラス極にn型半導体をセットし、電圧を印加させます。この方向に印加するときの電圧を逆方向電圧(もしくは逆バイアス)と呼びます。

 

すると、今度はn型半導体内の電子が近くの+極によせられるだけで、p型の空孔への移動はできなません。

 

つまり、逆バイアスをかけても電流が流れないことを意味します。

 

このように、pn接合には整流作用(一方向にしか電流を流さない)があるのです。

 

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