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最終更新 2026-10-28

連続の式とは(半導体のキャリア)

Continuity Equation (Carriers)

半導体の連続の式とは、ある場所のキャリアの数の時間変化を、電流による流れ込みと流れ出し、生成、再結合のつり合いで表した式で、キャリアの数の保存を表しています。ポアソン方程式と組み合わせるとデバイスの特性を計算する基本の方程式になり、少数キャリアの拡散長や寿命の関係も導けます。

目次7項目
  1. 定義・解説
  2. 図解
  3. よくある質問
  4. 設備の製造メーカー
  5. 関連用語
  6. 比較・違いを学ぶ
  7. 出典・参考資料

定義・解説

半導体の連続の式とは、ある小さな場所の電子や正孔の数が時間とともにどう変わるかを、そこへ流れ込む量と流れ出る量(電流)、新しく生まれる量(生成)、消える量(再結合)のつり合いで表した式です。電子については∂n/∂t=(1/q)∂Jn/∂x+G−Rと書きます。キャリアの数は勝手に増えも減りもしないという、数の保存の法則を表しています。

電流Jを、電界によるドリフト電流と濃度の差による拡散電流の和で書き、ポアソン方程式と組み合わせると、半導体デバイスの中のキャリアと電位の分布を求めるための基本の方程式の組(ドリフト・拡散モデル)になります。デバイスシミュレーション(TCAD)は、これを数値的に解いて、トランジスタやダイオードの特性を予測しています。

簡単な条件のもとでは手で解くこともできます。たとえば、n型半導体の一部に光を当てて少数キャリアの正孔を作ると、正孔は拡散しながら再結合で減っていき、その密度は拡散長ごとに約1/eに減る指数関数の形になります。また、光を急に切ると、少数キャリアは寿命τの時定数で指数関数的に減ります。少数キャリアの寿命の測定は、この関係を利用しています。

図解

連続の式の時間変化・電流の項・生成・再結合の意味を並べた表

図をタップで2倍に拡大

ポアソン方程式と組み合わせるとドリフト拡散モデルになる。

よくある質問(FAQ)

連続の式とポアソン方程式の違いは何ですか?
連続の式はキャリアの数の保存(どれだけ流れ込み、生まれ、消えるか)を表し、ポアソン方程式は電荷と電位の関係を表します。キャリアが動くと電荷の分布が変わり、電位が変わるとキャリアの動きが変わるため、デバイスの計算では両方を同時に解きます。
連続の式からどんなことが分かりますか?
定常状態では、少数キャリアの密度が注入した場所から離れるほど拡散長ごとに約1/eに減ることが導けます。時間変化では、光を切った後に少数キャリアが寿命の時定数で減ることが分かります。ダイオードの電流の式も、この考え方から導かれます。

設備の製造メーカー

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比較・違いを学ぶ

出典・参考資料

  1. 立命館大学 藤野毅「半導体工学(7) 半導体のキャリア(3) PN接合の概要」(2026/10/28 確認)
  2. 北海道大学「粒界面近傍における少数キャリアの拡散長と寿命の研究(北海道大學工學部研究報告 99号)」(2026/10/28 確認)