n型半導体，p型半導体とキャリア
物理が苦手な文子
ダイオードの問題ね。ダイオードって，確か一方向にしか電流を流さないのよね。
物理が得意な秀樹
問題文にもAからBには電流が流れるけど，逆向きには流れないと書いてあるね。
物理が苦手な文子
ただ，それ以上のことはよく分からないから，どうすればいいの？
物理が得意な秀樹
なぜダイオードには一方向にしか電流が流れないのか，その原理を知らないと解けない問題だね。
物理が苦手な文子
ダイオードの原理って，どういうことなの？
物理が得意な秀樹
ダイオードを構成している半導体には「n型半導体」と「p型半導体」の２種類があるんだ。
物理が苦手な文子
２種類あるのね。その２種類は何が違うの？
物理が得意な秀樹
電流の担い手である「キャリア」が違うんだ。
物理が苦手な文子
問題文には「担い手」という言葉があるけど，そもそも「担い手」って何？
物理が得意な秀樹
そうだね，「電流の担い手」っていうのは「電流を運んでいるもの」という意味だ。
物理が苦手な文子
だったら，「電流を運んでいるもの」と言えばいいじゃない。
物理が得意な秀樹
例えば金属だったら，「電流の担い手」は自由電子だね。自由電子って「もの」ではないとも言えるので，厳密には「電流を運んでいるもの」という表現だと適切ではないとも言えるんだ。
物理が苦手な文子
だから『もの』ではなく，『担い手』としたのね。
物理が得意な秀樹
「担い手」を英語では「キャリア」と言うんだ。
物理が苦手な文子
金属を流れる電流の担い手が自由電子なのはいいけど，半導体中を流れているのは自由電子じゃないの？
物理が得意な秀樹
その電流の担い手が「n型半導体」と「p型半導体」で違うんだ。「n型半導体」は自由電子，「p型半導体」は正孔（ホール）なんだ。
物理が苦手な文子
「正孔（ホール）」って何？
物理が得意な秀樹
正孔（ホール）っていうのは，電子の抜けた穴みたいなものなんだけど，正の電荷を持っている粒子として扱えるんだ。その粒子がp型半導体中を流れているということだ。
物理が苦手な文子
電子の抜けた穴なのに，粒子なの？
物理が得意な秀樹
そう考えて問題がないということだ。例えば，水中の泡を水の抜けた穴だと考えてみるのはどうだろう？穴に水が落ちていると考えるよりも，泡が上昇しているって考えるでしょ。
物理が苦手な文子
そうか，泡が上昇しているとしか考えたことがなかったわ。確かに泡の中に水が落ちているとも考えられるのね。
物理が得意な秀樹
あくまでもイメージだけど，空気の泡に相当するのが正孔（ホール）ね。
物理が苦手な文子
「n型」「p型」っていうのは何？
物理が得意な秀樹
自由電子は負の電荷を持っているので，negativeの「n」，正孔（ホール）は 正の電荷を持っているので，positiveの「p」を用いて表しているんだ。
物理が苦手な文子
なるほど。それじゃあこの問題では，半導体Aと半導体Bはどちらかがn型半導体で，どちらかがp型半導体ということね。
ダイオードの原理
物理が得意な秀樹
そうだね。このp型半導体とn型半導体をくっつけることを「pn接合」と言って，出来上がったものがダイオードなんだ。
物理が苦手な文子
この問題では，半導体Aから半導体Bへの向きだと電流は流れたのね。
物理が得意な秀樹
この「pn接合」では，「pからnに電流が流れる」ということを覚えておくといいね。
物理が苦手な文子
pからnに電流が流れるということは，半導体Aがp型半導体で，半導体Bがn型半導体ということね。
物理が得意な秀樹
そういうことだ。一応原理を説明しておこう。
物理が得意な秀樹
p型半導体側に電池の正極，n型半導体側に電池の負極を接続すると，図のようにキャリアが接合面に移動し，接合面付近で電子と正孔（ホール）が合体して消滅する。また，同時に電池からはそれぞれのキャリアが供給されるので，電流が流れる。
物理が苦手な文子
まぁなんとなく分かるわ。
物理が得意な秀樹
一方，ダイオードの向きを変えると，キャリアはそれぞれ接合面から離れるように移動して，接合面付近にキャリアのない「空乏層」が形成される。
物理が苦手な文子
キャリアがないから「空乏層」っていうこと？
物理が得意な秀樹
その通り！これだとキャリアが供給されることはないので，電流は流れないんだ。
物理が苦手な文子
なるほど。分かった気がするわ。問題に戻ると，半導体Aがp型半導体だからキャリアは正孔（ホール），半導体Bがn型半導体だからキャリアは電子ということね。
物理が得意な秀樹
そうだね。答えは③だ。
回路の電位と回路を流れる電流
物理が苦手な文子
交流の問題は苦手だわ。
物理が得意な秀樹
ダイオードと交流が絡むと，とても難しく感じるよね。
物理が苦手な文子
何から考えれば良いのか，全然分からないわ。
物理が得意な秀樹
考えるのは，点Pを流れる電流だよね。ちょっと電流を書き込んでみよう。
物理が得意な秀樹
図の点Pを流れる電流を
として，図の上の段の抵抗を流れる電流を
，中央の段を流れる電流を
とすると，
だよね。
として，図の上の段の抵抗を流れる電流を，中央の段を流れる電流をとすると，だよね。
物理が苦手な文子
確か，電流の関係はキルヒホッフの第１法則ね。
物理が得意な秀樹
その通り。とりあえず，とに分けて考えてみよう。上の段と中央の段は並列なので，かかっている電圧は同じだよね。まずは上段ね。
とに分けて考えてみよう。上の段と中央の段は並列なので，かかっている電圧は同じだよね。まずは上段ね。
物理が苦手な文子
こんなシンプルな回路になっちゃうの？
物理が得意な秀樹
真ん中の段を取り除くとシンプルだね。与えられているグラフは，点aに対する点bの電位の時間変化だね。
物理が苦手な文子
電位もよく分からないわ。
物理が得意な秀樹
電位って分かりにくい概念かもしれないけど，電気回路の電位は簡単なんだ。ちょっと電位の考え方をまとめておくよ。
物理が苦手な文子
なんとなくは分かるんだけど，この問題の場合はどうなるの？
物理が得意な秀樹
点aに対して点bの方が電位が高いときを考えてみるよ。こんな感じで導線に色をつけてみると分かりやすくなるよ。
物理が苦手な文子
導線でつながっているところは，等電位だから同じ色なのね。
物理が得意な秀樹
そういうこと。
物理が苦手な文子
点aよりも点bの方が電位が高いときは，抵抗も図の左側の方が電位が高くなって，右向きに電流が流れるということか。
物理が得意な秀樹
その通り。つまり，このときは電位の変化に伴っての向きの電流が流れるんだ。
の向きの電流が流れるんだ。
物理が苦手な文子
ということは逆に点aの方が電位が高ければ逆向きの電流が流れるということね。
物理が得意な秀樹
そうだね。この電流の時間変化のグラフを描いてみるとこんな感じだ。
の時間変化のグラフを描いてみるとこんな感じだ。
物理が苦手な文子
問題で与えられている電位のグラフと変わらないわね。
物理が得意な秀樹
縦軸が電流になっただけで，概形は同じだね。
物理が苦手な文子
それじゃあ次は，真ん中の段ね。抜き出すとこんな感じ。
物理が得意な秀樹
そうだね。それじゃあちょっとさっきと同じように，導線部分に色を塗ってみようか。
物理が苦手な文子
点aよりも点bの方が電位が高いときは，こんな感じかな。
物理が得意な秀樹
いいね。問題文に，ダイオードにAからBの向きに電流が流れる時には電圧降下は生じない，とあるのでダイオードの両端は等電位になるね。そして抵抗には右向きに電流が流れる。
物理が苦手な文子
だんだん分かってきたわ。点aの方が電位が高いときは，ダイオードに電流が流れなくなりそうだけど，それでいいの？
物理が得意な秀樹
その通りだ。導線に色を塗ってみるとこんな感じだ。
物理が苦手な文子
なるほど。抵抗には電流が流れないので，抵抗の両端は等電位なのね。ダイオードの両端に電位差が生じているということね。
物理が得意な秀樹
この電流と時間の関係のグラフを描いてみるとどうなるかな？
と時間の関係のグラフを描いてみるとどうなるかな？
物理が苦手な文子
電位によって，流れたり流れなかったりするので，こうかな？
物理が得意な秀樹
合ってるよ！それじゃあ，いま求めたいのは点Pを通る電流なので，２つのグラフを足し合わせればいいね。
なので，２つのグラフを足し合わせればいいね。
物理が苦手な文子
こんな感じになるわね。
物理が得意な秀樹
そういうことだね。答えは⑤だ。
