PN接合の拡散電位

質問

恥ずかしながら。。。ＰＮ接合の基本的なことがわからなくなりました。。
拡散電位（内蔵電位）と外部から観察される電位差の関係がわからないのですが、どう理解できないか以下に記します。

ＰＮ接合のダイオードのアノードカソード間に電圧計でも電流計でも挟んでメータの針が振れるようなことが起きたら無から有のエネルギーを取りだしているということで熱力学の法則に反する。だから拡散電位は外部から観測されるはずがない。（一瞬くらいぴくりと針が振れるようなことがあるかもしれない？でも少なくとも定常的にメータの針は振れ得ない。）

そこまでは良い。だけど、わからなくなるのはアノードとカソードを短絡したときだ。
バイアス電圧が０ＶのときのＰＮ接合のエネルギー図は教科書的には両端開放のときと同じ、電位障壁は拡散電位そのもので書いてある。だからアノードカソード短絡でも拡散電位はある、接合部左右に電位差はある。一方ではアノード端子とカソード端子との間には短絡だから電位差は無い。するとアノード端（あるいはカソード端）と接合部の間に電流が流れ電位降下が起きていることになる？これじゃ無から有のエネルギーを汲み出していることになる。そんなことは起きそうも無い。
もしかしておおかたの教科書が間違いでアノードカソード短絡で拡散電位が消えるということ？しかしこれでは接合部でフェルミレベルがひん曲がるから熱平衡では無くなってしまう、これも起きそうに無い。やはり教科書の図が間違いということもないはずだ。。。。

ということでパラドックスに見えてしかたないのです。どこか大間違いをしているのでしょうけど。アノードカソード短絡時のエネルギーレベル図がどうなっているか書いている例は見たこと無いですし。
アドバイスお願いします。あるいはこのへんのことを平易に書いてある資料でもご紹介いただければ。

回答No.1

d9win · ベストアンサー

実際のダイオードには電極が付いてます。電極金属と半導体の可動電子は異なったエネルギー状態にありますが、このエネルギー差は電極接合部の極く狭い領域で変化して、境界を除いた電極内では電極金属固有の値になります。
ダイオードを構成する半導体のアノードとカソードでは、可動電子のエネルギーは異なってますが、どちらにしても、それぞれの電極接続部で吸収されます。それぞれの電極表面には、それが接続されている半導体部位の(内蔵)電位は現れず、単に電極金属の特性が現れます。
アノード側とカソード側の電極金損が同種であれば、アノード電極とカソード電極の表面の間には電位差は現れないことになります。たいていの教科書が、このような説明を省略してるのは不親切ですね。

お礼

了解です！ありがとうございました。
金属－半導体の電位障壁を忘れてました。これでシステム全部スルーしてフェルミレベルが揃う。金属－半導体の電位障壁で接合部電位障壁の効果はマクロにちゃらで全てOK.
教科書的には、ここで金属－半導体の電位障壁の話をすると、金属－半導体の接触部でなぜ電流が素直に流れ得るのだとかまた難しい話になるので、そこはカットということなんでしょうね。しかたないですね。