本記事では半導体の基礎であり，応用でも重要なpn接合とは何かを説明します．pn接合の電流-電圧特性や容量，逆降伏は別の記事で解説しています．
pn接合とは
pn接合はp型半導体とn型半導体が接触している部分のことです．pn接合は整流性，光起電力効果を持ち，ダイオード，フォトダイオード，トランジスタなどに応用されます．
以下では，pn接合にゼロバイアス時 (熱平衡状態)，順方向バイアス，逆方向バイアスをかけた場合についてそれぞれ説明していきます．
ゼロバイアス時 (熱平衡状態)
まず電圧をかけてない状態 (ゼロバイアス時)で説明します．p型半導体の多数キャリアは正孔，n型半導体の多数キャリアは電子です．図１のようにp型半導体とn型半導体を接したものがpn接合です．
pn接合では，両側のキャリア密度に差があるため，電子はn側からp側へ，正孔はp側からn側へ拡散し，接合付近で再結合します．その結果，動けるキャリアが少なくなった領域ができ，これを空乏層と呼びます．空乏層の外側で電荷がほぼ中性に保たれる領域を中性領域といいます．
通常，p型では負に帯電したアクセプタイオンと正孔，n型では正に帯電したドナーイオンと電子によって電荷の中性が保たれます．接合付近で電子と正孔が拡散・再結合すると，動けないイオンが残り，n側からp側へ向かう内部電界ができます．この電界によるドリフト電流が拡散電流を打ち消すと熱平衡になり，正味の電流は0，フェルミ準位は接合全体で一定になります．中性領域間の電位差を拡散電位 (内部電位)と呼びます．
順方向バイアス時
順方向バイアスは図２のようにp半導体に正，n半導体に負の極を印加した場合のことです．
順方向バイアスをかけると，キャリアが接合を越える際のエネルギー障壁が下がります．電子はn側からp側へ，正孔はp側からn側へ注入され，電流はp側からn側へ流れます．注入された少数キャリアは中性領域を拡散し，再結合または電極への流出によって失われます．この非平衡状態では，電子と正孔の分布をそれぞれ別の擬フェルミ準位で表します．
以上のように順方向バイアス時に流れる電流は順方向電流と呼ばれますが，キャリアの再結合する位置によって二つに分けられます．キャリアが拡散して空乏層で再結合することで流れる再結合電流，キャリアが拡散して空乏層を抜けて中性領域に拡散することで流れる拡散電流 (拡散電流も中性領域で再結合する)に分けられます．
逆方向バイアス時
逆方向バイアスは図３のようにp半導体に負，n半導体に正の極を印加した場合のことです．
逆方向バイアスでは接合のエネルギー障壁が高くなり，多数キャリアの注入が抑えられます．一方，熱などで生じた少数キャリアが空乏層の電界に運ばれるため，降伏前でもn側からp側へ小さな逆方向電流が流れます．この非平衡状態も，電子と正孔それぞれの擬フェルミ準位で表します．
以上のように逆方向バイアス時に流れる電流は逆方向電流と呼ばれますが，キャリアの発生する位置によって二つに分けられます．中性領域でキャリアが発生して空乏層に拡散して電界によってキャリアが移動することで流れる拡散電流，空乏層でキャリアが発生して電界によってキャリアが移動することで流れる発生 (生成)電流に分けられます．
整流作用
以上で説明したように順方向では電流が流れ，逆方向ではほとんど電流が流れないためpn接合は整流作用を持ちます．
まとめ
- pn接合：p型半導体とn型半導体が接触している部分
- pn接合による効果：整流性，光起電力効果
- pn接合の応用：ダイオード，フォトダイオード，トランジスタ
- 熱平衡状態時：拡散とドリフトが互いに打ち消しあい電流は流れない
- 拡散電位 (内部電位)：拡散によって生じたp型とn型のポテンシャル差
- 順方向バイアス時：p型からn型へ電流が流れる
- 順方向電流：拡散電流と再結合電流に分けられる
- 逆方向バイアス時：n型からp型へ電流が極少し流れる (ほとんど流れない)
- 逆方向電流：拡散電流と発生 (生成)電流に分けられる
- 整流作用：pn接合では順方向バイアス時のみ電流が流れ，これを整流作用と呼ぶ