Top / ダイオード

ダイオード

目次 †

n型半導体とp型半導体 †

　純粋なシリコンやゲルマニウムに少しだけ不純物を加えて、半導体内で電子が活発に動きやすくしたものがP型半導体とN型半導体である。

　電子の組成の関係で電子がひとつ余った不純物半導体をN型半導体、ひとつ足りないものをP型半導体と呼ぶ。

ダイオード †

　ダイオードは、アノード端子（陽極）からカソード端子（陰極）にだけ、つまり一方向にしか電気を通さない性質を持っている。

　電流が流れる方向に電圧をかけることを順方向バイアス、その逆に流れない方向に電圧をかけることを逆方向バイアスと呼ぶ。

ダイオードの特徴 †

・アノードからカソードの方向に電流が流れるが、逆には流れない。この働きを整流作用（検波作用）という。

・普通の導体（抵抗線も）に電圧を加えると、電圧がどんなに低くてもオームの法則に従って電圧に比例した電流が流れるが、ダイオードはある範囲の極低い電圧では電流が流れない。

　実は、PN接合部には普段、電気の運び手がいない。電子や正孔の元になるボロンやリンの原子がPN接合部の近くに入るのである。ところが、N形半導体がわには電子が多すぎ、P形半導体側には電子の空席が多すぎる。このようなとき、たくさんいる方から少ない方へ移動する現象を拡散という。PN接合部を中心に、電子が空席側に広がり、真中に運び手がいなくなる。

　そのため、ダイオードに電流を流す場合は、正孔と電子をPN接合の境まで寄せるために、少し高い電圧を加えないとダメである。その電圧を順方向電圧（順電圧）という。

例：ゲルマニウムダイオードは約0.15V、シリコンダイオードは約0.6Vの順方向電圧である。

・抵抗器Rの電圧を電圧計で調べた時、2Vとする。そのとき、電流を2倍にすると、抵抗器に加わる電圧は4V（2倍）になる。

　一方、ダイオードDのの電圧を電圧計で調べた時、0.6Vとする。そのとき、電流を2倍にすると、ダイオードに加わる電圧は0.7Vになる。

　よって、電流を流すために加わる順方向電圧は、電流を2倍にしても2倍にならない。

・どんなものにでも限度があり、それ以上にすると壊れてしまう。それを最大定格というが、ダイオードにも逆電圧、順電圧の2つが最大定格の要素である。

・ダイオードに逆方向の電圧を加えると電流が流れないが、高い電圧を加えてしまうと流れてしまいます。ただし、壊れることがある。それではダイオードの役目をしないので、逆方向に加えることができる電圧が決めてある。これを逆電圧（耐圧、電圧）という。

例：逆方向に加わる電圧は交流電圧（実行値）の3倍くらいであるから、50Vを整流するときは逆電圧が150V以上のダイオードを使う。

・順方向に流すことができる最大の電流のことを、順電流という。であるから、1A流して使う回路のダイオードは、定格が1A以上のものにしないと焼けて壊れてしまう。ただし、下の回路図のようにダイオードの後に、コンデンサを繋ぐ回路は1.5A以上のダイオードを使う。これはコンデンサを順電する時の突入電流（ラッシュカーレント）が大きいので、余裕を見て大きな規格のものを使用する。

ダイオードの種類 †

整流ダイオード †

• 整流ダイオード（整流用ダイオード）は、P型半導体とN型半導体を接合させてできたダイオードである。　
• 整流ダイオードでは、片方にしか電流を流さないダイオードの性質を利用して、交流電源を直流に変換する整流作用のために利用される。波形で考えると、正弦波の+の部分だけが残るわけである。
• 電源関係を扱うために、最大定格電流が大きい種類のものが多いのが特徴である。

点接点ダイオード †

• PN接合ダイオードと違い、P型かN型の半導体の小片に、金属の線をチョンと文字通り点接触させた形のダイオードである。

ゲルマニウム点接点ダイオード †

• ラジオなどの検波用としてゲルマニウムラジオを始め、AM・FMラジオ・TVに使われていた。
• 普通、N型ゲルマニウムの小さい欠片（ペレット）に、タングステン（化学記号がW）の細い線（径0.1mmくらい）の先に接触させ、短時間だけボンと大電流を流したものである。

シリコンダイオード †

• どの整流素子であっても逆方向の電流を流さないが、シリコンダイオードはその中でも逆方向の電圧に耐える力が大きい。
• 高温に強い。一般に半導体整流器は、ある程度温度が上がると逆電圧に耐える力が弱くなり、きちんと整流の働きをしなくなる性質がある。そこでなるべく熱を持たないように冷却片【ヘン】を付けたり、ファンからの風で冷やしたりしている。
  • 例：ゲルマニウムが使える温度の限度は約75℃、セレンは約80℃なのに対して、シリコンは105℃くらいまで大丈夫。
• 小さくて効率がよく、長持ちする。
  • シリコンは他のものに比べて流れる電流の密度が高い。つまり、狭い断面積にたくさんの電流が流せるので効率がよく、しかも長持ちするので半導体素子材料として人気が高い。
• 発電機には電磁石が必要。電磁石は直流電源が必要。そこで、シリコンダイオードが登場する。
  • 発電所に設置されている水車発電機やタービン発電機の励磁【れいじ】電源に使われ、電気の質を向上させるのに役立っている。発電機には電磁石が必要であり、電磁石はコイルに直流を流して作るので、そこにシリコンダイオードが必要となる。
• 新幹線車両を走らせるところでも、シリコンダイオードは使われている。
  • 新幹線の車両を動かすモーターは直流のモーターである。ところが、新幹線のパンタグラフが受ける電気は、2万5千ボルトの交流である。新幹線の先頭車両にはシリコンダイオードを積んで交流を直流に変換している。
• アルミニウムの精錬にも、シリコンダイオードは使われている。
  • 化学工場で、アルミニウムの精錬やソーダの電気分解の装置には直流を使う。製鉄工場のミル（圧延機）や鉄をメッキする装置の直流電源にも使われている。
• 溶接にも、シリコンダイオードは使われている。
  • シリコンダイオードを組み込んだ直流アーク溶接機がある。
• 順方向降下電圧は0.7V程度で、ゲルマニウムダイオードより高いので、ラジオの検波用には向かない。
  • シリコンダイオードは電源の整流回路、電源のレベルダウン回路、リレー逆起電力消去用などに使われる。

定電圧ダイオード †

・定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）は、主に定電圧電源回路に使用され、一定の電圧を与える。

・入力が少しぐらい変動しても、一定の電圧を出力することができる。

・一番の特徴は、カソードに＋、アノードに−の電圧をかけることにある。これは普通のダイオードとまったく逆である。

・通常のダイオードに逆方向の電圧をかけていくと、ある電圧になって突然電流が流れ出し、その状態がしばらく続くと、今度は電流が流れなくなる。つまり、断線してしまうわけである。この現象をツェナー現象という。この現象を利用したのがツェナーダイオードである。

　しかし、ツェナーダイオードの場合には、逆方向の電圧をかけて電流が流れるようになっても、ある一定以上の電流を流さない限りは破損することなく、何度も繰り返し使用することが出来る。

・定電圧ダイオードで流せる電流値は、そのダイオードの特性によって異なる。

　例えば、400mW型のゼナー電圧6Vの定電圧ダイオードでは、次のように計算される。

0.4/6＝66mA

　66mAが流しうる最大電流である。実際に流すときは、余裕を見て流す電流は30mAくらいに抑えるのがよい。

・また、定電圧ダイオードは最低5mA程度の電流を流さないと、定電圧特性を示さない。

• 一般に合金形シリコンPN接合が用いられる。
  • 不純物の量や合金温度などを変えることによって、降伏電圧を3〜100V程度の範囲まで得ることができる。

定電流ダイオード †

• 順方向に電圧をかけてゆくと、ある電圧範囲で一定の電流が流れるようになる。
  • そのため、簡単な定電流回路や保護回路に使われる。

可変容量ダイオード（バリキャップ、バラクター） †

• PN接合のP側に−、N側に＋と、一方通行の反対向きに逆電圧をかけると、P型の中の正孔は−をかけた電極へ、またN型の中の電子は＋をかけた電極の方に寄ってしまい、中間の接合部分には正孔も電子もないところ空乏【くうぼう】層がガランとあく。 ここで、両端にかける逆電圧を増やすと、この空乏層は一層広くなり、逆電圧を下げると狭くなる。 また、この状態は電機を運ぶ正孔も電子もない空乏層という一種の絶縁体を間に挟んだPとNの2つの電極が向かい合わせになっているわけで、コンデンサーとして働く。このコンデンサーは、両端にかける電圧の大きさで容量が変えられるという性質も持つ。
  • PN接合が逆バイアスされているときに、接合部からホールも自由電子も排除されている状態になる。つまり、運び屋がいない状態で、これを空乏層という。
  • 空乏層は絶縁体と同じようなもので、その幅は印加電圧によって変化する。
  • 空乏層があるとき、ダイオードはコンデンサの働きをするが、この性質を利用する素子が可変容量ダイオード（バリキャップ）である。この素子に印加する電圧を変えると、端子間の静電容量を変えることができる。
  • 容量Cは加える電圧Vの大きさによって変化する。その関係はとなる。
• 逆方向の直流電圧によってバイアスされたダイオードは電圧で容量が変わりコンデンサと同じように高周波をよく通すので、FM変調器、TVのAFC回路などに用いられる。
• ラジオやTVの同調用、FMラジオのAFCや電子同調用VCO（Voltage Controlled Oscillator）に使われる。

エキサダイオード †

• 不純物濃度の高いN型ゲルマニウムと3価のインジウムの接合によって作られている。
  • 不純物が多いほど降伏電圧は小さくなる。
• 順方向でも逆方向で生じたトンネル効果と同じような現象が起こるため、負性抵抗（電圧を高くすると電流が減少する）の性質が現れる。
• 超高周波の発振や増幅に用いられる。
• 微小電力で増幅されるうえに、低雑音、小型で動作時間が非常に速いため、電算機などにも使用される。

マイクロ波ダイオード †

・マイクロ波を出すダイオードのこと。

　マイクロ波とは、波長の短い電磁波のことである。例えば、気象観測用や軍事用のレーザーの電磁波として使われている。

　この電磁波を発振するには、この短い波長にあったパルス信号（人間の脈拍のような周期の短い信号）を作り出さなければならない。そのパルス信号を作るのに、この手のマイクロ波ダイオードが利用される。

トンネルダイオード †

・マイクロ波ダイオードの一種。

・トンネル効果を利用しているダイオード。

　トンネル効果とは量子力学では有名な現象で、粒子がエネルギーの壁を抜けてしまう減少のことです。不確定性原理によればエネルギーを与えられなくても壁を越える可能性がある。そして、エネルギーの壁が薄ければ薄いほど壁を越える確率は高くなるのだ。

・トンネルダイオードに電圧（順方向バイアス）をかけていくと、電流は増加する。ところがある一定の電圧に達すると電流は減少する。そして、またある一定の電圧に達すると電流が増加していくのである。最初の電流の増加は普通のダイオードに比べて急激に増えるのだが、これがトンネル効果によって流れた電流（トンネル電流という）なのである。

・トンネルダイオードの場合、ガリウム・アンチモン（Ga・Sb）、ゲルマニウム、ガリウム砒素を材料にして、ドーピングする不純物を高密度にする（普通の1,000倍）。すると、P型の部分には自由ホール、N型の部分には自由電子の多いダイオードができる。そして、PN接合する領域が薄くなる。そのため、他のダイオードに比べてトンネル効果が起きやすい状態になるのである。

　このダイオードに順方向のバイアス電圧をかけると、はじめは順方向電流が流れるが、一旦順方向電流が小さくなっていく。これは自由電子の行き場がだんだんなくなってくるからである。ところが、さらに電圧を上げると、今度は普通のダイオードと同じように順方向電流がどっと流れるようになる。そういう不思議な特性を持っている。

降下電圧の比較 †

逆回復時間 †

• 逆バイアスされたダイオードがスイッチOFFの状態ということは、ひとつ問題が生じる。それは、逆バイアスした瞬間に、自由電子やホールが両端に引き寄せられるということである。これは本当に短い時間であるが、実際に電流が流れてしまうから問題である。
• 順方向に電流が流れていた状態から電圧を反転したときの一瞬は、カソードから亜ソードに向かって電流が流れる。この流れが流れきった後に、本当の逆阻止状態になるのである。これに要する時間を、逆回復時間（recovery time）という。
• トランジスタ回路の保護用ダイオードには逆回復時間に注意が必要である。
• 逆回復時間が極めて短いダイオードとして、PN接合を利用しないで他の原理を利用したものがあり、これをショットキーバリアダイオードという。
• 順方向電圧がPN接合による整流用ダイオードでは0.9〜1.2Vであるのに対して、このショットキーバリアダイオードは0.6〜0.9Vと低いのが特徴的である。しかし、高耐圧の阻止を作るのは難しく、20〜200Vくらいである。
  • 逆方向バイアス電圧を増加すると、小数キャリアによる電流が急に増加して熱が発生し、PN接合を破損してしまう。これを防ぐには定められた電圧以下で利用しなければならない。この限度を逆耐圧という。
• ショットキーバリアダイオードは、スイッチングレギュレータという電源回路に広く使われている。

ダイオードは他のもので代用する †

• 鉱石の上を針で探って性能のよいところ、つまり出力が大きく取れる場所を探して使う。これを鉱石検波器という。昔はこうしてダイオードと同じ機能を実現していた。
• 2極管の真空管はプレート（アノードともいう）とカソードの電極があるので、やはりダイオードとして働く。2極真空管はダイオードと呼ぶことは少なく、普段は整流管という。

ダイオードをテスターで調べる †

　ダイオードが良いか悪いかはテスターで調べることができる。ダイオードは順方向に電流が流れ、逆方向には流れない性質を利用して調べる。

　デジタルテスターのつまみをダイオードテストにあわせる。

順方向のテスト †

　赤テスト棒をアノード、赤テスト棒をカソードに当て、ダイオードを順方向に接続して行う。

　順方向には電流がよく流れるので表示機には0Vを示すように思えるが、0を示すダイオードは不良品です。良品ならば、シリコンダイオードで0.35〜0.7V、ゲルマニウムダイオードで0.15〜0.3Vを表示する。

逆方向のテスト †

　ダイオードを逆方向に接続した時、ダイオードの中で電流が流れなければ表示機の電圧は下がらない。

ダイオード利用による整流 †

電子ブロックminiによるダイオードの整流の実験 †

• ダイオードの性質の1つである整流を確認するための実験である。

ブロック配置図

• AとBのダイオードブロックの向きがどちらも下側（−側）を向いている場合に、LEDが点灯する。

トランス＋ダイオード利用による半波整流 †

トランス＋ブリッジ回路利用による全波 †

　この図では、どのような規格の整流ダイオードを使えばよいでしょうか。また、どの程度の発熱があるでしょうか。

　トランスの出力はAC 20Vとなっている。しかし、この表記は実行値で、実際にかかる電圧の最大値は28Vである。よって、電圧のピークからピークまでは56Vとなる（∵交流で+28〜-28まであるから、その間が56Vある）。

　これをダイオードで整流するから、1個あたり最大逆方向電圧28Vのダイオードを使えばよさそうだが、違う。もし1個のダイオードがショートしたとすると他のダイオードには56Vの逆電圧がかかるので、実際にはやはり最大逆方向電圧56V以上のダイオードを選んだ方がよい。

　また、この回路の直流出力電圧は無負荷でほぼDC 28V、負荷を繋いだときは20V程度であると思われる。これに余裕を見て28Vと考えると、抵抗は4Ωであるから、7Aくらいの電流が流れるはずである。よって、最大整流7A以上のダイオード、余裕を見れば15A程度のものを選ぶ。 　

　発熱量について考察してみよう。ダイオードの順方向電圧降下を1.5Vとすると、7A流れたときには10.5Wの発熱があるということになる。よって、余裕を見て15Wくらいの放熱器を付ける必要がある。

中性点付きトランス＋ダイオード利用による全波整流 †

3相整流回路 †

　3相整流回路においてはトランスを用いるが、3相のトランスの接続法としてはデルタ結線（Δ結線）とスター結線（Y結線）があり、電源側をΔにし、負荷側をスターにする。

　また、3相としての半波整流と全波整流がある。全波整流では脈動（リップル）が少ない。

デルタ結線 †

・半波整流

[補講]点線で囲まれている部分は最近パッケージ化されていることが多い。

スター結線 †

・全波整流

半波整流回路と全波整流回路の特性比較 †

例：入力電圧AC100V、50Hzでのリプル周波数は半波整流回路では50Hz、全波整流回路では2倍の100Hzとなる。

ダイオードの実装方法 †

極性がある †

　ダイオードにはアノードとカソードと呼ぶ極性があり、電流の流せる向きがある。また、ブリッジダイオードも接続方向が決まっている。

小信号用ダイオードは比較的熱に弱い †

・基板に実装するときには、根元から数mm離れたところでリード線を曲げて実装し、ハンダ付けは手早く行う。

・ブリッジダイオードの場合、必要であれば放熱器を付ける。そして、浮かせて取り付かせる。リード線も放熱器になるからである。パターンを広くして、放熱器にする。

整流用ダイオードの配線には注意 †

　ブリッジダイオード周りの配線は、安定なグランドの確保のために出力コンデンサと負荷の間の配線やパターンに注意が必要である。基本は太く短いパターンで、ブリッジ→電解コンデンサ→負荷の順序通りに配線する。つまり、電解コンデンサの端子が、電源とグランドの基点となるようにする。

ダイオードの基本特性 †

ダイオードの検査 †

ダイオードの極性を調べる †

1：DMMならレンジをダイオードチェック、アナログテスターなら抵抗レンジに合わせます。

2：黒プローブをダイオードの片方、赤プローブをもう片方に繋げる。その結果の値をAとする。

3：ステップ2の逆に接続する。その結果の値をBとする。

4：AとBを比較して、値の小さいときが順方向接続になっていることなります。ステップ2のとき、ダイオードのカソード（印の付いている側）を黒プローブと接続したとき、Aの値が小さい。

K（カソード）←A（アノード）

　下の画像において、電気の方向（赤から黒へ流れる）とダイオードのカソード部分に着目しよう。それぞれのワニ口クリップはテスターの端子に対応する。

ダイオードの不良品を見つける †

　テスターのダイオードチェックを行えばよい。

電子ブロックminiによるダイオード検査機 †

ブロック配置図

• ダイオードはトランジスタに壊れやすい電子部品といえる。
• 過電流が流れてしまうとダイオードは壊れる。
  • 特にゲルマニウムダイオードは壊れやすい。
• 配置図のようにブロックを配置し、電子ブロックminiのメインスイッチをONにして、LEDが付くかどうかを確認する。
• LEDが付けば、一旦スイッチをOFFにして、ダイオードブロックの上下を逆に差し替えてみる。再びメインスイッチをONにしてLEDが付かなければ、そのダイオードは正常である。

[補講]ダイオードやトランジスタ以外にも壊れやすい部品はある。

• アンテナコイルに大きな直流電流を流さないこと。
• 電源を入れたまま抵抗を交換する場合（電子ブロックやブレッドボードの場合は手軽に交換できるため）は、誤って大電流を発生させることがある。
• 電界コンデンサに長時間・逆電圧をかけると壊れる。

◇

ダイオードの特性を調べる †

参考文献 †

• 『図解いちばんやさしいADSL＆光ファイバー通信』
• 『新電子工作入門』
• 『図解・わかる電子回路』
• 『図解雑学　電子回路』
• 『図解雑学　半導体』
• 『まるごと覚える4級アマチュア無線　ポイントレッスン』
• 『新版　絵で見るエレクトロニクスのABC　オーディオ・ラジオ・テレビ編』
• 『ビギナーズ・トランジスター読本』
• 『第4級ハム国試　要点マスター2005』
• 『はじめて学ぶ手ほどきデジタル回路』
• 『ゼロから学ぶディジタル論理回路』
• 『はじめてつくるデジタル回路』
• 『誰にでも手軽にできる電子工作入門』
• 『ELEKIT入門＋実用キットではじめる電子工作キット活用術』
• 『DIGITAL TC TRAINER MODEL CT-312 デジタルIC実験セット・ガイドブック』
• 『たのしくできるブレッドボード電子工作』
• 『技能研修＆検定シリーズ　電子機器組立の総合研究』
• 『大人の科学magazine Vol.32』
• TMCTさん誤植指摘Thanks!