電流と回路（知識）の問題
半導体について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。
p 型半導体と n 型半導体を接合した pn 接合ダイオードに、n 型側の電位が p 型側の電位より高くなるように電池をつなぐ。このとき、p 型半導体中のホール（正孔）と n 型半導体中の自由電子は、どちらも接合面から（ a ）向きに移動するので、ダイオードには電流がほとんど流れない。
また、不純物を含まないケイ素などの真性半導体では、温度を上げると、その抵抗率は（ b ）。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 近づく | 小さくなる |
| イ | 遠ざかる | 小さくなる |
| ウ | 近づく | 大きくなる |
| エ | 遠ざかる | 大きくなる |
この問題で使うもの
- pn 接合ダイオードの整流作用（説明と入口の問題）
- 抵抗率の温度変化（金属・半導体）（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（12 技能）
読み込み中…
右端（太枠）がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
a は pn 接合ダイオードに逆方向の電圧をかけたときのキャリアの動き、b は半導体と金属で温度による抵抗率の変化が逆になることを使う。
ヒント 2
ホールは正の電荷、自由電子は負の電荷をもつ。p 型側は電池の負極、n 型側は正極につながっていることから、それぞれがどちらの電極に引き寄せられるかを考える。半導体では、温度が上がるとキャリアの数が増える。
ヒント 3
ホールは p 型側の電極の方へ、自由電子は n 型側の電極の方へ移動する。これで a が決まり、選択肢は 2 つに絞れる。あとはキャリアが増えると抵抗率がどうなるかを考える。
答えと解説
答えを見る
イ
どこでつまずきましたか？（選ぶと、戻る場所を案内します）
解説を読む
空欄 a n 型側の電位が p 型側より高い向きの電圧は、ダイオードの逆方向の電圧である。p 型側は電池の負極につながっているので、p 型半導体中の正の電荷をもつホールは負極側（p 型側の電極の方）へ引き寄せられる。n 型側は電池の正極につながっているので、n 型半導体中の負の電荷をもつ自由電子は正極側（n 型側の電極の方）へ引き寄せられる。したがって、ホールも自由電子も接合面から遠ざかる。接合面付近にはキャリア（電流を運ぶもの）がほとんどない領域（空乏層）が広がり、接合面でホールと電子が出会って結合することも起こらないので、電流はほとんど流れない。
逆に、p 型側の電位を高くする（順方向の電圧）と、ホールと電子はどちらも接合面に近づき、接合面で次々に結合して電流が流れ続ける。これが整流作用である。よって「近づく」は順方向の場合で、誤り。
空欄 b 真性半導体では、温度が上がると熱運動によって結合から離れる電子が増え、自由電子とホールの数（キャリアの数）が増える。このため電流が流れやすくなり、抵抗率は小さくなる。温度を上げると抵抗率が大きくなるのは金属の性質（陽イオンの熱振動が激しくなり、自由電子の運動が妨げられる）であり、半導体とは逆である。
よって、a は「遠ざかる」、b は「小さくなる」で、正しい組み合わせは イ である。
- ア: a の「近づく」が誤り（順方向の電圧のときのようす）。
- ウ: a の「近づく」、b の「大きくなる」がともに誤り。
- エ: b の「大きくなる」が誤り（金属の性質）。
別解
n 型側の電位が p 型側より高いので、これは逆方向電圧（逆バイアス）である。p 型側は電池の負極側につながるため、ホールは負極に引かれて接合面から遠ざかり、n 型側は正極側につながるため、自由電子は正極に引かれて接合面から遠ざかる。接合面付近にはキャリアのない領域（空乏層）が広がり、電流はほとんど流れない。よって a は「遠ざかる」。
真性半導体は、温度が上がると熱運動で価電子が励起され、自由電子とホールの数が増えるため、抵抗率は小さくなる（金属では逆に大きくなる）。よって b は「小さくなる」。
よって、a「遠ざかる」、b「小さくなる」の組はイ。