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ダイオードって何?

【ダイオードは電流を一方方向にしか流さない】
 ダイオード(Diode)は整流作用(電流を一定方向にしか流さない作用)を持つ電子素子です。いくつか種類がありますが、 代表的なものとしてn型半導体とp型半導体(「半導体って何?」参照)を接合させて整流作用 を得るpn接合型ダイオードがあります。

 ダイオードの用途としては電源装置での交流電流を直流電流にする整流器としての用途、ラジオの高周波から信号 を取り出す検波用、電流のON/OFFを制御するスイッチング用途等、非常に広範囲な使い方をします。

【ダイオードの整流作用は電子と正孔がになう】
 pn接合型ダイオードの動作原理はどのようなものなでしょうか。

 pn接合を作ると、p型半導体中の正孔はn型半導体中に、n型半導体中の電子はp型半導体中に広がり(拡散)、 接合部分では電子と正孔が次々に結びついて打ち消しあい、その結果、接合面のそばでは、n型半導体では結晶自体が+の、 p型半導体では-の性質が強くなります。

 すると、電子が-の結晶と反発してp型半導体の側にいきにくく、ホールもn型半導体の側にいきにくくなり、 打ち消し合いが起こらなくなります。つまりキャリア(電流を流す担い手、ここでは電子と正孔)がなくなった状態 (空乏層)になり、これがダイオードになにもしていない状態になります。この結果、pn接合ではp型半導体中に正孔が たまり、n型半導体には電子がたまった状態になります。(図1)

(図1)


 また、空乏層内においてn型半導体は正孔が流れ込んでいるので+に帯電し、p型半導体は電子が流れこんでいるので -に帯電している。このため空乏層内部に電界(内部電場)が発生し、空乏層の両端では電位差(拡散電位)が生じます。 ただしそれと釣り合うように内部でキャリアが再結合しようとするので、この状態では両端の電圧は0になります。

 ここでp型半導体に電池の+極、n型半導体に-極をつなげて電圧をかけるとp側で電子を、n側で正孔を引く力が強く なります。この結果、それらがお互いの方向に流れ込みます。つまり、p型半導体中の正孔は空乏層を通過して-極の n型半導体に流れ込み、n型半導体中の電子は空乏層を通過して+極のp型半導体に流れ込むことになるのです。

 電流は電子の流れと逆向きなので、図2の赤い矢印の方向に流れます。(順バイアス) (図2)


 逆にp型半導体に電池の-極、n型半導体に+極をつなげて電圧をかけると、p型半導体中の正孔は電池の-極、 n型半導体中の電子は+極に引っ張られ、ますます接合面から遠ざかり、電流が流れることはありません。(逆バイアス)

 この場合、n型領域に正孔、p型領域に電子を注入することになるので、それぞれの領域において多数キャリアが不足します。 すると接合部付近の空乏層がさらに大きくなり、空乏層内部の電界も強くなるため、拡散電位が大きくなります。(図3) この拡散電位が外部から加えられた電圧を打ち消すように働くため、逆方向には電流が流れにくくなります。

 この状態で電流を流すには、打ち消される以上の電圧が必要となります。 この性質を利用してスイッチングの役割を果たすことができるのです。

(図3)