電子部品

ダイオードをわかりやすく解説します

電子工作でよく使われる「ダイオード」について

初心者の方でも、わかり易くまとめました

電子工作でよく使われる「ダイオード」の「種類や用途」については

コチラで書きました

【種類と用途】電子工作で使う「ダイオード」 電子工作で使われる、いろいろな種類のダイオード その特徴をまとめてみました ここで書かれているのは 電子工作などで...

「ダイオード」とはどんな部品?

ズバリ一言で表わすなら

電流を「一方向」だけしか流さない半導体

です

ダイオードが持つ「電流の一方通行」の性質を

整流作用

と呼びます

ダイオードは半導体

ダイオードは、半導体です

一般的な「シリコンダイオード」は

「P型半導体」と「N型半導体」という2種類が使われます

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P型、N型とも、原料はシリコン(Si)の高純度結晶です

これに少しの不純物をくわえることで、P型半導体、N型半導体はつくられます

原料は「シリコン」

P型半導体、N型半導体の原料は、シリコン(4価の元素)の結晶です

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高純度のシリコン結晶は「真性半導体」と呼ばれています

真性半導体では、電子と正孔がほぼ同数です

そのため、ほとんどの電子が正孔に入ってしまっています

電気(電荷)を運ぶ役割(キャリア)の電子や正孔がほとんどない状態です

実は、シリコンの純結晶は、電気が非常に流れにくいのです

「半導体」とは名ばかりで、絶縁体に近いイメージです

電荷を運ぶ「キャリア」を作るため

シリコン結晶にごく少量の「不純物」を混ぜます

半導体の原料はシリコン以外にも

ゲルマニウム、砒化ガリウム(ガリウム砒素)、窒化ガリウム

などがあります

N型半導体

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シリコンに、5価の元素(リンP・ヒ素As)を不純物として加えた半導体です

5価の元素は電子が一つ多いので、電子が余ります(過剰電子)

N型半導体では、この過剰電子が電荷を運ぶ「キャリア」になります

N型半導体に混ぜる不純物を

ドナー」といいます

P型半導体

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シリコンに、3価の元素(ホウ素B・インジウムIn・アルミニウムAl)を不純物として加えた半導体です

3価の元素は電子が一つ少なく、電子が不足して「正孔」ができます

P型半導体では、この「正孔」が電荷を運ぶ「キャリア」になります

P型半導体に混ぜる不純物を

アクセプター」といいます

ダイオードの構造

一般的なシリコンダイオードは

「P型半導体」と「N型半導体」をくっつけた(接合した)構造をしています

この構造を「PN接合」といいます

PN接合付近では、

「N型の過剰電子」と「P型の正孔」が

互いに引き合って、電荷を運ぶ「キャリアほとんど無い領域」ができます

この領域を「空乏層」と呼びます

ダイオードには

  • PN接合型
  • 点接触型(半導体とタングステン等の針を接触させた構造)
  • ショットキー接合型(半導体と金属の接合)

などの構造があります

ダイオードに電圧をかける

ダイオードは、印加する「電圧の向き」によって

 ●電流が「流れる」

 ●電流が流れない

が決まります

決まった電圧の方向(極性)にしか電流が流れないことが

ダイオードの整流作用というわけです

ダイオードに「順バイアス」をかける

実際のダイオードでは、このように印がついています

ダイオードの

  • P型半導体(アノード)にプラスの電圧
  • N型半導体(カソード)にマイナスの電圧

をかけると、空乏層が縮小して電流が流れます

そのためには、ある程度の電圧が必要です

順バイアス (Forward Bias)

順方向電圧と呼ぶこともあります)

順バイアスでは

プラス極(+) = アノード

マイナス極(-) = カソード

の向きに電圧をかけます

ダイオードに順バイアスをかけて、徐々に電圧を上げていくと

図のように、ある電圧から、急激に電流が大きくなります

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順バイアス時、ダイオード両端の電圧を

順方向電圧降下(VF)

といいます

電流が急上昇する電圧は、半導体の材質等によって異なります

シリコンダイオードでは

0.6V~0.7V位になります

この電圧以降

ダイオードの電圧が少し増えるだけで

電流は大幅に増加します

※この特徴から、一般的に

電子回路で使われる程度の電流では

シリコンダイオードの順方向電圧(VF)

0.6V~0.7V

と考える場合が多いです

順方向電圧の実測

手元にあったシリコンダイオードを実測してみました

(型番は不明です・・・スイマセン)

電流(ID)順方向電圧(VF)
100μA0.497V
200μA0.531V
300μA0.549V
500μA0.571V
1mA0.607V
2mA0.641V
5mA0.681V
10mA0.718V
20mA0.763V
50mA0.826V
100mA0.890V

電流が1mA→100mA・・・になっても

VFは0.607V→0.890V・・・

0.283V増加するだけです

電流が100倍になっても

電圧はわずか3.14倍程度しか増えていません

抵抗の場合は、電流が100倍になれば、電圧も100倍になります

このように、ダイオードの順方向電圧(VF)は

電流に対する変化がとても小さいことがわかりますね

ダイオードに「逆バイアス」をかける

逆バイアスとは「順バイアスとは逆向き」に電圧をかけるとです

N型・カソード:(+極)

P型・アノード:(-極)

すると・・・

  • N型半導体の電子はプラス極に引き寄せられ
  • P型半導体の正孔はマイナス極に引き寄せられます

これにより、空乏層が拡大します

空乏層は「電気的絶縁」です

大きくなれば電流は流れなくなります

(正確にはpA~μAオーダーの非常に少ない電流は流れます)

逆バイアス (Reverse Bias)

逆方向電圧と呼ぶこともあります)

順バイアスの逆向き」に電圧をかけることで

電流は、ほとんど流れません

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さらに逆バイアス電圧を上げていくと

図のように、ある電圧で急激に大電流が流れます

(ダイオードが破損します)

この電圧を降伏電圧(ブレイクダウン電圧)と呼びます

降伏電圧(ブレイクダウン電圧)

ツェナー降伏や雪崩降伏(アバランシェ降伏)という現象で

意図しない場合には、素子の破損を招きます

※定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)は、これら現象を利用しています

※また、意図的に利用した回路では、アナログ・シンセサイザーのノイズ発生回路などがあります

ダイオードのデータシート(規格表)を見てみる

半導体には規格を示したデータシートがあります

今はネット上で「PDF形式」ファイルなどとして

メーカーサイトからダウンロード、閲覧できる場合が多いです

ISS270データシートより引用
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絶対最大定格 (Maximum Ratings)

絶対最大定格は「絶対に超えてはならない」値です

チェックしておきたい項目は・・・

逆電圧(VR)

逆バイアスで印加できる最大電圧です

許容損失(PD)

ダイオードで消費される電力の最大許容値です

許容損失(PD)= 順電流(IF)×順電圧(VF)

で求められます

順方向電流(IF)

順方向電流の最大値です

図のように「平均最大値」や「瞬間的な最大値」として

複数記載されている場合もあります

※絶対定格値は「余裕」をもって選定するほうが安全です

電気的特性 (Electrical Characteristic)

電気的特性は、「ある条件における他のパラメーター」を示します

このダイオードでは、順方向電圧の測定値として

  • IF=10mA時 VF=0.8V

となっています(ちょっと高めですかね)

また、特性図(グラフ)などが記載されている場合もあります

ISS270データシートより引用

これは、同じダイオードの特性図ですが

このグラフを読むと

IF=10mA時

VF=0.74V位でしょうか?

グラフは縦軸(電流)が「対数目盛」になっています

このダイオードの「VFとIFの関係」は、

対数(指数)で見れば、とてもリニアなことが判ります

また、他の値のときの関係も

IF=1mA時は・・・VF0.6V位

・・・と、大体の値がわかって便利です

まとめ

ダイオードとは

  • 電流を「一方向」だけしか流さない半導体です
  • シリコンダイオードは「P型半導体」と「N型半導体」を接合した構造です
  • この接合を「PN接合」といいます

順バイアスとは

  • アノードに(+)、カソードに(-)の電圧をかけることです
  • ダイオードは順バイアスすることで、電流が流れます
  • シリコンダイオードでは、順方向電圧(VF)は0.6~0.7V位になります
  • ダイオードの電流変化に対する「順方向電圧(VF)」の変化はとても小さいです

逆バイアスとは

  • 順バイアスとは「逆向きの電圧」をかけることです
  • ダイオードは逆バイアス時、ほとんど電流が流れません
  • 逆方向電圧を高くしていくと降伏現象を起こし、大電流が流れます

ダイオードなどの半導体では、メーカーが公表しているデータシートをチェックすることは、とても重要です