電子回路・半導体デバイスの問題

温度 $300\mathrm{K}$ のシリコンで、アクセプタ濃度 $N_A=1.0\times 10^{18}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ の p 形領域と、ドナー濃度 $N_D=1.0\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ の n 形領域が接した階段形の pn 接合がある。外部から電圧を加えない熱平衡状態での空乏層の幅（p 側と n 側の空乏層の幅の和）$W$ は何 $\mu \mathrm{m}$ か。有効数字 2 桁で求めよ。

ただし、不純物はすべてイオン化しており、空乏層近似（空乏層内にはキャリアがなく、外では電荷が中性）が成り立つとする。シリコンの真性キャリア密度を $n_i=1.0\times 10^{10}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、比誘電率を $11.7$、真空の誘電率を ${\epsilon }_0=8.85\times 10^{-14}F/cm$、電気素量を $q=1.6\times 10^{-19}\mathrm{C}$、熱電圧を $kT/q=0.0259\mathrm{V}$ とする。

図のように、シリコンの階段形 pn 接合に、n 側が p 側より高電位になる向きに逆方向電圧 $V_R$ を加える。p 側のアクセプタ濃度は $N_A=1.0\times 10^{17}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、n 側のドナー濃度は $N_D=1.0\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ で、それぞれ一様である。温度は $300\mathrm{K}$ で、$kT/q=0.0259\mathrm{V}$、真性キャリア密度 $n_i=1.0\times 10^{10}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、電気素量 $q=1.6\times 10^{-19}\mathrm{C}$、シリコンの誘電率 ${\epsilon }_s=11.7{\epsilon }_0$、真空の誘電率 ${\epsilon }_0=8.85\times 10^{-14}F/cm$ とする。

不純物はすべてイオン化しており、空乏層近似（空乏層の中には可動キャリアがなく、空乏層の外は電気的に中性）が成り立つとする。また、加えた電圧はすべて空乏層にかかり、接合は 1 次元とみなす。

接合内の電場の大きさの最大値が $E_c=4.0\times 10^{5}V/cm$ に達するときの逆方向電圧 $V_R$ は何 $\mathrm{V}$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

ゲルマニウムでできた階段形の pn 接合がある（図）。p 形領域のアクセプタ濃度は $N_A=4.0\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、n 形領域のドナー濃度は $N_D=1.0\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ で、どちらも一様である。この温度でのゲルマニウムの真性キャリア密度は $n_i=2.0\times 10^{13}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、熱電圧は $\frac{kT}{q}=0.0259\mathrm{V}$ とする。不純物はすべてイオン化していて、接合から十分離れた p 側・n 側の中性領域では、多数キャリア密度はそれぞれ $N_A$, $N_D$ に等しいとする。外部から電圧は加えない。この pn 接合の拡散電位 $V_{bi}$ は何 V か。$\log 10=2.303$ として、有効数字 3 桁で求めよ。

温度 $300\mathrm{K}$ のシリコンでできた階段形の ${\mathrm{p}}^{+}\mathrm{n}$ 接合ダイオードがある。p 側のアクセプタ濃度 $N_A$ は n 側のドナー濃度 $N_D$ よりも十分に大きい。どちらの濃度も一様であるが、値はわかっていない。接合面積は $A=1.0\times 10^{-3}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$ である。

図のように、n 側が p 側より高電位になる向きに逆方向電圧 $V_R$ を加えて、空乏層容量 $C$ を測定した。結果は次のとおりであった。

• $V_R=1.2\mathrm{V}$ のとき $C=16.0\mathrm{pF}$
• $V_R=7.2\mathrm{V}$ のとき $C=8.0\mathrm{pF}$

次の仮定と値を用いる。

• 片側階段接合とみなし、空乏層は n 側にだけ広がるとする。
• 空乏層の中では自由キャリアが完全になくなるとし（完全空乏近似）、不純物はすべてイオン化しているとする。
• 空乏層容量は、空乏層の幅を $W$ として平行平板の式 $C={\epsilon }_{s}A/W$ で表されるとする。
• 拡散電位は $V_{bi}=\frac{kT}{q}\log \frac{N_A{N}_D}{n_i^2}$ で表されるとする。
• 電気素量 $q=1.60\times 10^{-19}\mathrm{C}$、シリコンの誘電率 ${\epsilon }_s=1.04\times 10^{-10}F/m$、$kT/q=0.0259\mathrm{V}$、真性キャリア密度 $n_i=1.0\times 10^{10}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ とする。

測定結果から、p 側のアクセプタ濃度 $N_A$ を $\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ 単位で求め、有効数字 2 桁で答えよ。

温度 $300\mathrm{K}$ のシリコン結晶に、ドナーを濃度 $N_D=3.0\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、アクセプタを濃度 $N_A=1.0\times 10^{16}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ で一様に添加した（補償された半導体）。この温度でシリコンの真性キャリア密度は $n_i=1.0\times 10^{10}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$、$kT=0.0259\mathrm{eV}$ とする（$k$ はボルツマン定数）。ドナーとアクセプタはすべてイオン化しており、半導体は非縮退で、電子密度 $n$ は真性フェルミ準位 $E_i$ とフェルミ準位 $E_F$ を用いて $n=n_i\exp \left(\frac{E_F-E_i}{kT}\right)$ と表せるものとする。

熱平衡状態でのフェルミ準位と真性フェルミ準位の差 $E_F-E_i$ は何 $\mathrm{eV}$ か。有効数字 3 桁で求めよ。