ダイオード

ダイオード
(原理、作用、いろいろなダイオード)
Copyright (c) 2007 宮田明則技術士事務所
1
n型半導体とp型半導体
純粋Si分子(共有結合)
1.電子が過剰な半導体（n型半導体)と、
電子が不足する言い換えれば、電子の
抜けた正孔(ホール)が過剰な半導体(p
型半導体)とを接合させると、ダイオー
ドができる。
最外殻(M殻)は電子2個ず
つを共有し計8個として
安定強固な結合を作る
-2
-2
2.n型半導体は、4価の原子であるGe(ゲ
ルマニウム)や,Si(珪素)に5価のAs(砒素)、
Sb(アンチモン)などを不純物として加え
て作る。原子核の束縛の弱い最外殻Mの
電子が余剰で比較的自由に動ける状態に
なっている(自由電子という)。
3.p型半導体は、4価の原子に3価のGa(ガ
リウム)、In(インジューム)、Al(アルミ)
など不純物を加えて作る。
最外殻Mの電子が不足するので正孔(ホー
ル)が余剰になっている。
電子
-2
+14
K
-1
+4
+4
-2
-2
-1
+4
-2
+4
-2
-2
+4
-2
-2
+5
+4
-1
-1
+5
-1
-1
＋イオン
-2
Ga(3価)
-2
-1
-2
-2
電子
-1
-1
-1
-2
+4
-21 +4 -2
-2
-1
+1 正孔
-1
+3
-1
-1
+3
-1
-1
-2
ーイオン
n型半導体(Si+As)
p型半導体(Si+Ga)
Ｍ殻電子が9>8 で余剰
自由電子
M殻電子が7<8 で不足
正孔が余剰
-2
-2
-2
-1
+4
-1
-1
-1
-2
-2
+4
-2
-2
-2
-1
L
-2
-2
M殻(電子8個で充足)
Si 原子
+4
-2
As(5価)
+4
+4
-2
-2
-2 -1
-2
+5
-2
-2
-21 +4 -2
+4
-2
-2
-2
+4
-2
-2
-2
+4
+4
+4
-2
-2
-2
-2
-2
-2
-2
-2
-2
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-2
+4
+4
-2
-2
-2 +1
-2
+3
-2
-2
-21 +4 -2
+4
-2
-2
-2
+4
-2
-2
+4
-2
-2
-2
+4
-2
2
-2
pn接合と整流作用
ホール
電子
電圧がない状態では電子やホール(正孔)が広く分布している。
p
n
図A
電流
順方向
課電圧
+
p
p側を正、n側を負として、接合部を超えるのに必要なある
一定値以上の電圧を掛けると、ホールは負極側に、電子は
正極側に接合部を超えて移動する。ホールと電子はさらに
電源から補充され電流が流れ続ける。
下の場合と合せ、整流作用は、p、n どちらかの半導体に金
属を接触させるだけでも起こり得る(点接触整流子、ショッ
トキーバリア接合ともいう)。
n
図B
－
電流≒0
逆方向
課電圧
図C
－
p
n
------
空
++++++ 乏
層
+
p側が負、n側が正となるように逆方向電圧を掛けると、ホ
ールはpの電極側に、電子はnの電極側に移動し接合面側に
は正負イオンが残る。このイオンが対峙する部分は電気抵
抗が極めて高く正負が向かい合う電気二重層を形成する。
直流電流は殆ど流れない。
このとき、接合面付近の電気二重層は等価的にコンデンサ
を形成する（接合容量という）。このため高周波が通過で
きるので高周波では通電可能となる。
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VFは、シリコンで約0.7V
ゲルマニウムで約0.2V
温度が上がるとVFは低下する。
ダイオード
の整流特性
I
O
理想的な
ダイオード
図D
電
流
実際の
ダイオード
V
IF
逆方向
IF
P N
VF
通常使用 VR
領域
IF
定電圧
領域
順方向
P N
電圧
VF
IR
VR
IFは、シリコンで数nA程度
ゲルマニウムで数μA程度。
温度が上がるとIFは増加する。
逆方向電圧をさらに高くすると、
急に逆方向電流が増加するブレ
ークダウン(降伏)領域がある。
(定電圧ダイオードで利用)
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図E
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整流回路
整流器
電流･電圧波形(理想ダイオード)
i:電流
単相半波
整流回路
交流
電源
～
抵抗
負荷
電圧:v
図F
変圧器
単相全波
整流回路１
交流
電源
i
図G-1
～
:v
単相全波
整流回路２
三相全波
整流回路
交流
電源
i
～
v
三相
交流
電源
図G-2
図H
i
v
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ダイオードによる検波
振幅変調(AM)波
q1
図I-1
低周波信号波
検波=(単相交流)半波整流
q2
LPF通過後
図I-3
搬送波
平均値
図I-2
平均値
q3
a b sin pt sin t
a ' b' sin pt
の＋側
LPFの例
q1の振幅部分
LPF: Low Pass Filter, 低周波濾波器
高周波成分を取り除く。
直流分除去後=信号波
図I-4
a b sin pt sin t
q4
b' sin pt
r
c
直流分を除去
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いろいろなダイオード
1. PINダイオード
ダイオードは、順方向、逆方向の抵抗
の差を利用してスイッチング素子とし
ても利用されるが、高周波では、逆電
圧時に接合容量により絶縁性がなくな
る(P.2、図C)ので、この高周波対策と
してPINダイオードが作られた。
A:アノード(正極)
P
図J-1
I
P型
半導体
K:カソード(負極)
N
N型
半導体
2. 定電圧ダイオード
ダイオードの逆方向電圧を高めると急
に逆方向電流が増大する領域に達する。
(p.3、図E参照)この領域は通常のダイオ
ードの動作領域を超えて「ブレークダ
ウン(降伏)領域」と呼ばれる。このとき、
電圧はほぼ一定に保たれるので定電圧回
路に利用される。
降伏現象には「ツェナー降伏」と、「ア
バラーンシュ(なだれ)降伏」があるが、
定電圧ダイオードを「ツェナーダイオー
ド」とも呼んでいる。
記号
又は
I型半導体(I:intrinsic 真の、固有の)
不純物がない純粋半導体
I層の存在で欠乏層(電子もホールも無
い層)が大きくなり、結合容量は大幅
に減少する。
電源
入力電圧
電流制限
用抵抗
出力電圧
PIN:ピン、またはピーアイエヌと読む
記号
PIN
又は
PIN
図J-2 ツェナーダイオード利用定電圧回路
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3. 可変容量ダイオード(別名
Varactor, バラクタ variable reactor、
Varicap,バリキャップ variable capacitor)
逆電圧を加えたときの電気二重層に
よるコンデンサは、電圧を高めると、
絶縁物に近い空乏層部分が拡大し平均
距離が増加するので容量が減少する。
用途：高周波同調用など
逆方向課電
電圧低い
電圧高い
－
p
----
n
++++
－
空
乏
層
p ------n
++++
++++
+
空
乏
層
4. 発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)
N型半導体内の自由電子は、温度で決まるエネ
ルギー状態にある。そこに順方向電流を流して
エネルギーを与えると自由電子はPN接合部を
超えてP型半導体内に入りホールと再結合する。
このとき熱又は光を放出する。通常の、シリコ
ンやゲルマニウムのPN接合では熱しか出ない
が、適当な材料を用いるといろいろな色の光が
放出される。熱を伴わないので発光効率高く寿
命が長い。順方向電圧は1.8~2Vと高い。
次の金属間化合物半導体のPN接合を使用。
GaAs(ガリウム砒素)：
赤外線
GaAsP(ガリウム砒素燐)：赤から緑まで
GaN(ガリウム窒素)：
青
Red
白色は青に蛍光体または青と黄色
など
p
n
E c
h
h : プランクの定数,
c : 光速、 : 波長
光の振動数
+
高い
記号
又は
など
光
E
再結合
図J-3 可変容量ダイオード
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伝導帯
フェルミ準位
価電子帯
エネルギ
ーレベル
低い
図J-4 発光ダイオード 8
5. フォトダイオード(受光素子)
光を受けて起電力を発生するダイオード
である。
PN接合部付近ではN側で豊富な電子はP
側へ、P側で豊富な正孔はN側へ拡散する
ことにより、N側が+、P側が－に帯電し
ている。半導体に光が当り光のエネルギ
ーで、電子と正孔が発生すると、上記帯
電により、電子はN側に、正孔はP側に移
動させられP側を正とする起電力が発生
する。
太陽光電池も同類であるが、エネルギー
ではなく、信号を扱うことを目的とする
ものをフォトダイオードと呼んでいる。
関連 (1)フォトトランジスタ
コレクターベース接合部が受光素子にな
っており光を受けるとベース電流が流れ、
それがトランジスタの作用で増幅され大
きな出力が得られる。
光
P
N
-
+
光
i
N コレクタ
ベース P
N エミッタ
(2) 光導電セル
CdS, PbS, PbSeなどの、光を受けると抵抗値が
下がる現象を利用し、光センサとして用いる
ものがある。
(3) フォトカプラー
光の中継器で受光素子と発光ダイオードを結合
させて作る。
6. 定電流ダイオード
FET(電界効果トランジスタ)と類似の構造で(ゲ
ートはない)、アノード(ドレイン) カソード(
ソース)間の電流が定電流になる。
ダイオードに関し参考とした資料
電気学会「電気工学ハンドブック」
時田元昭「トランジスタと半導体」、電波新聞社
奥沢清吉「ビギナートランジスター読本」誠文堂
新光社
ニュートン別冊「完全図解周期律表」ニュートン社
そのほかインターネット上の諸資料など
図J-5 フォトダイオードとフォトトランジスタ
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