ダイオードのすべて
ダイオードは、電流がその中を一方向に、他方よりはるかに容易に移動できるようにする電気装置です。 現代の回路設計で最も一般的なダイオードは、他のダイオード技術もありますが、半導体ダイオードです。 半導体ダイオードは、下図のような回路図に記号化されている。 整流器という用語は、パワーデバイス、I > 1 A に使用されます。
半導体ダイオードの回路図記号：矢印は電流の流れる方向を示します。
単純な電池とランプの回路に配置すると、ダイオードは、印加電圧の極性に応じて、ランプを通る電流を許容するか阻止するかを決定します。 (下図)
ダイオードの動作。 (a)電流は許可されます。ダイオードは順方向バイアスです。 (
電池の極性が、電流がダイオードを通して流れることを許可するようなものであるとき、ダイオードは順方向バイアスであると言われます。
電池の極性が、電流がダイオードを通過することを許可するようなものである場合、ダイオードは順方向バイアスであると言われ、逆に、電池が「逆方向」でダイオードが電流をブロックする場合、ダイオードは逆バイアスであると言われます。 ダイオードは、スイッチのようなものだと考えてもよい。 「
ダイオードのシンボルの「矢印」の方向は、従来の電流の流れる方向を指しています。
ダイオードのシンボルである「矢印」の向きは、通常の電流の流れる方向を指します。これは、回路図に「矢印」を持つすべての半導体に当てはまります。 電子流の場合はその逆で、電流の方向は「矢じり」に逆らっている。
油圧チェック バルブのアナロジー
ダイオードの動作は、チェック バルブと呼ばれる油圧デバイスの動作に類似しています。
油圧式逆止弁のアナロジー。 (a) 現在の流れが許可されている。 (
チェック バルブは、基本的に圧力によって作動するデバイスです。ゲートを開くために正しい「極性」の圧力がかかると開き、流れを許容します (図の例では、左側より右側の方が大きな流体圧力がかかります)。
逆止弁と同様に、ダイオードは本質的に「圧力」作動 (電圧作動) デバイスです。
逆止弁と同様、ダイオードも本質的には「圧力」によって作動する（電圧作動）デバイスです。順方向と逆方向の本質的な違いは、ダイオードにかかる電圧の極性です。
ダイオード回路電圧の測定。 (a) 順方向バイアス。 (b) 逆バイアス。
順方向バイアス ダイオードの構成
順方向バイアス ダイオードは電流を伝導し、ランプにバッテリー電圧のほとんどを落としたまま、小さな電圧を落とします。 バッテリの極性が逆であれば、ダイオードは逆バイアスになり、バッテリの電圧のすべてを落とし、ランプには何も残しません。 ダイオードを自己作動型スイッチ（順バイアスモードで閉、逆バイアスモードで開）と考えれば、この動作は理にかなっている。
ダイオードが示すこの順方向バイアス電圧降下は、印加電圧の影響下で P-N 接合によって形成される空乏領域の作用によるものです。 半導体ダイオードは、電圧がかかっていないと、P-N接合部の周囲に薄い空乏領域が存在し、電流が流れないようになっています。 (下図(a))
Diode representations: PN-junction model, schematic symbol, physical part.
ダイオード表現。
ダイオードの回路図記号は、上図 (b) に示すように、アノード (ポイントする側) が (a) の P 型半導体に対応するように示されています。 (b)のカソードバー（非指し示端）は(a)のN型材料に対応する。
逆バイアス ダイオードの構成
逆バイアス電圧が P-N 接合にかかると、この空乏領域が広がり、そこを通る電流にさらに抵抗するようになります。 (下図)
逆バイアスにより空乏領域が拡大。
順電圧
逆に、順バイアス電圧が P-N 接合にかかると空乏領域は縮小し、薄くなります。 ダイオードは、それを通る電流に対して抵抗が小さくなります。 しかし、電流を流し続けるためには、印加された電圧によって空乏領域が完全につぶれることが必要である。
順方向バイアスを (a) から (b) に増加させると空乏領域の厚さが減少します。
シリコン ダイオードでは、標準の順方向電圧は 0.7 ボルト、公称です。 ゲルマニウムダイオードの場合、順方向電圧はわずか 0.3 ボルトです。
ダイオードを構成する P-N 接合の化学成分が、その公称順方向電圧の数値を決定しており、これがシリコンとゲルマニウムのダイオードがこれほど異なる順方向電圧を持つ理由です。 順方向電圧降下は、広範囲のダイオード電流に対してほぼ一定であり、ダイオードの電圧降下は抵抗や通常の（閉）スイッチのそれとは異なることを意味している。 ほとんどの簡略化された回路解析では、導電性ダイオードの電圧降下は公称値で一定であり、電流量に関係しないと考えることができる。
ダイオードの方程式
実際、順方向電圧降下はより複雑です。 ある方程式は、接合部で低下した電圧、接合の温度、およびいくつかの物理定数が与えられたときに、ダイオードを通る正確な電流を記述します。
用語 kT/q は、温度の作用により P-N 接合内に生じる電圧を記述し、接合部の熱電圧または Vt と呼ばれます。 室温では、これは約 26 ミリボルトです。 これを知った上で、「非理想性」係数を 1 と仮定すると、ダイオードの方程式を簡略化して、次のように書き直すことができます:
簡単なダイオード回路を解析するのに「ダイオード方程式」を熟知している必要はありません。 電流伝導型ダイオードを通過する電流量に応じて低下する電圧は変化しますが、この変化は広い範囲の電流に対してかなり小さいことを理解すればよいのです。
しかし、一部の回路では、P-N 接合固有の指数関数的な電流/電圧関係を意図的に利用しているため、この式の文脈でのみ理解することが可能です。 また、温度はダイオードの方程式の要因であるため、順方向バイアスの P-N 接合は温度感知デバイスとして使用されることもあり、この数学的関係に対する概念的把握がある場合にのみ理解できます。
逆バイアス動作
逆バイアス ダイオードは、空乏領域の拡大によりそれを通過する電流を防止します。
逆バイアス電圧に耐えるダイオードの能力は、どの絶縁体でもそうであるように、限られています。
ダイオードの最大逆バイアス電圧定格は、ピーク逆電圧 (PIV) として知られており、メーカーから入手することができます。
順電圧と同様に、ダイオードの PIV 定格は温度によって変化しますが、PIV は温度の上昇とともに増加し、ダイオードの温度が下がると減少することを除けば、順電圧の場合とまったく逆です。
ダイオード曲線: Si の 0.7 V 順方向バイアスでの膝、および逆方向ブレークダウンを示す
一般的に、汎用の「整流」ダイオードの PIV 定格は室温で少なくとも 50 ボルトです。
- ダイオードは、電流の一方通行弁として機能する電気部品です。
- ダイオードが電流を通すように、ダイオード全体に電圧が印加されると、ダイオードは順バイアスであると言われます。
- ダイオードが電流を禁止するような方法でダイオードを横切って電圧が印加されると、ダイオードは逆バイアスであると言われます。
- 導電性で順バイアスのダイオードにわたって低下する電圧は、順電圧と呼ばれます。 Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without “breaking down” is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet