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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

ダイオードについて

このページでは,電流を一定方向にしか流さない半導体を用いた素子であるダイオードについてご紹介します。

 

1、ダイオードの原理・特性
2、ダイオードの種類

 

ダイオードの原理・特性

 

pn接合

 

ダイオードは、p形半導体とn形半導体を組み合わせた「pn接合」という構造をしている素子です。

 

 

ここで「空乏層」というものが出てきます。

 

p形半導体は正孔が多く、n形半導体は電子(自由電子)が多いのが特徴でした。

 

図の空乏層では、正孔と電子が結合してしまい、電気的に絶縁された状態となっております。
(正孔と電子がいないような状態)

 

 

順方向電圧への応答

 

それでは、このpn接合に電圧をかけてみます。
ちなみにダイオードでは電流が流れ込む側(+)を「アノード」、電流が出ていく側(-)を「カソード」と呼びます。

 

ちなみに電圧の高い・低いで分けるのが正極・負極です。
今回はアノード側へ+の電位がかかるように電源を繋げます。この方向へかける電圧を「順方向電圧」といいます。

 

 

上記図のように電圧をかけると、アノード側には+の電位がかかります。
すると、p形半導体の正孔(+)は+同士で反発しあい、n形半導体の方へ移動します。
逆にカソード側には-の電位がかかり、n形半導体の電子(-)は-同士で反発しあい、
p形半導体の方へ移動します。

 

正孔と電子が移動している、ということは「電流が流れる」ということです。
したがって、順方向電圧をかけたときは電流が流れます。

 

 

逆方向電圧への応答

 

次に逆方向へ電圧をかけてみます。
準電圧とは逆方向なので、「逆方向電圧」です。単純ですね。

 

 

順方向電圧をかけたときとは真逆の現象が起きます。
アノード側には-の電位がかかります。

 

すると、p形半導体の正孔(+)はアノードの-に引き寄せられ、p形半導体の端へ移動します。
カソード側には+の電位がかかっているので、n形半導体の電子(-)はカソードの+へ引き寄せられ、
n形半導体の端へ移動します。

 

 

したがって正孔と電子の移動はほとんどなく、電流が流れない状態となります。
つまり「逆方向電圧をかけたときは電流が流れません。

 

最初の章で、「ダイオードは電気を一方向にしか流さない」と説明しましたが、
上記の原理によるものだったのです。

 

 

電流・電圧特性

 

順方向電圧と逆方向電圧の応答により、ダイオードの電流・電圧特性はとても個性的です。

 

 

まず順方向電圧をかけた時ですが、「電流をよく流す応答」のはずですが電流が流れない状態があることがわかります。これは電子や正孔が、空乏層を乗り越えるために必要なエネルギーと考えてください。このエネルギー(電圧)は物質によって変わります。(例えばシリコンダイオードでは約0.7V、ゲルマニウムダイオードでは約0.2V)

 

次に逆方向電圧をかけた時ですが、ある電圧で一気に大きな電流が流れていることがわかります。
この現象は「降伏現象」といい、この時の電圧を「降伏電圧」といいます。

 

 

 

ダイオードの種類

 

ここでは、2種類のダイオードとその特徴を説明します。
※基本原理は以上で説明したものとほぼ同じです。

 

発光ダイオード(LED)

 

不純物の濃度が濃いダイオードであり、その名の通り電流を流すと発光します。
ダイオードに順方向電圧をかけると、電子と正孔が移動します。
移動する際に電子と正孔が衝突し、結合するものがあります。
その衝突の際生じるエネルギーが、光となって放出され発光するのです。

 

 

電流をより多く流せばより明るく光りますが、大きすぎる電流を与えると簡単に壊れますので注意が必要です。
ちなみにLEDの発光色は、用いられる材料によって変わります。

 

 

ツェナー(定電圧)ダイオード

 

降伏現象を利用して、電流が変化しても一定の電圧となるようにする素子です。

 

通常のダイオードと違って、逆方向に素子を繋ぎます。通常のダイオードでは、逆方向で利用していると
やがて破壊されてしまいますが、破壊しない構造となっています。

 

用途としては、例えば11〜14Vで変動する入力電圧から一定の電圧を得たいとき等に使用されます。

 

以上でダイオードの説明は終了となります。

 

ダイオードには他にも様々な特徴があり、回路にとって非常に重要な役割を担っています。
基本さえ理解していれば他の用途の理解もしやすくなるので、是非ダイオードの原理を覚えていってください。

 

 

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