ダイオード

歴史

最初のタイプのダイオードは、フレミングバルブと呼ばれていた。真空管である。電球のようなガラス管の中に入っていた。ガラス管の中には、小さな金属線と大きな金属板が入っていた。小さな金属線は熱を帯びて電気を出し、その電気を板が捕らえる。大きな金属板は熱くならないので、電気は管内を一方向には流れるが、反対方向には流れない。フレミングバルブは、フレミングバルブより小型の半導体ダイオードに取って代わられたため、現在ではあまり使われていない。エジソンも電球の研究をしていて、この性質を発見した。

建設

半導体ダイオードは、2種類の半導体をつないでできています。1つは、電子が余っている原子（N側といいます）を持っているタイプ。もう一方は、電子を欲しがっている原子（Pサイドといいます）を持っています。このため、電子が多すぎる側から少なすぎる側へ電気が流れやすくなります。しかし、逆方向には電気が流れにくい。これらの異なるタイプは、ドーピング（半導体）によって作られています。ヒ素を溶かしたシリコンは良いn側半導体に、アルミニウムを溶かしたシリコンは良いp側半導体になります。他の化学物質でも大丈夫です。

n側のコネクタをカソード、p側のコネクタをアノードと呼びます。

真空管ダイオードの構造

ダイオードの機能

p側正電圧

p側に正の電圧、n側に負の電圧を与えると、n側の電子はp側の正の電圧に、p側の正孔はn側の負の電圧に行きたがるようになる。このため、電流の流れが存在できるのですが、これを始めるにはある程度の電圧が必要です（ごくわずかな電圧では電流が流れません）。これをカットイン電圧という。シリコンダイオードのカットイン電圧は約0.7Vである。ゲルマニウムダイオードは約0.3Vのカットイン電圧が必要です。

p側負電圧

その代わりにp側に負の電圧、n側に正の電圧を与えると、n側の電子はダイオードの反対側ではなく、正の電圧源に行きたくなる。p側でも同じことが起こる。だから、ダイオードの両側の間には電流が流れない。電圧を上げると、やがて電流が流れざるを得なくなる（これがブレークダウン電圧）。多くのダイオードは逆流で破壊されてしまいますが、中には逆流に耐えられるものも作られています。

温度の影響

温度が上がると、カットイン電圧が下がる。そのため、ダイオードを電気が通りやすくなる。

ダイオードの種類

ダイオードには多くの種類があります。非常に特殊な使い方をするものもあれば、さまざまな使い方をするものもあります。

シンボルマーク

回路図によく使われる半導体ダイオードの記号を紹介します。

ダイオード	ツェナーダイオード	ショットキーダイオード	トンネルダイオード
発光ダイオード	フォトダイオード	バリキャップ	シリコン制御整流器

標準的な整流ダイオード

これは、A/C（交流、家のコンセントのようなもの）をD/C（直流、電子機器に使われるもの）に変えるものです。標準的な整流用ダイオードには、特定の要件がある。大電流を扱うこと、温度の影響をあまり受けないこと、カットイン電圧が低いこと、電流の流れる方向を素早く変えられること、などである。現代のアナログおよびデジタル電子機器には、このような整流ダイオードが使用されている。

発光ダイオード

LEDは電気を流すと光を発します。白熱電球よりも長持ちし、効率よく光を作ることができます。作り方によって、LEDはさまざまな色を出すことができます。LEDが初めて使われたのは1970年代です。発光ダイオードは、技術の発展により明るく安価になり、いずれは電球に取って代わるかもしれません（すでに効率は良く、長持ちしています）。1970年代には、電卓などの電化製品で数字を表示したり、大型の電化製品で電源が入っていることを示すために使用されていた。

フォトダイオード

フォトダイオードは、光検出器（発光ダイオードの逆）です。入ってきた光に反応する。フォトダイオードには窓や光ファイバーが接続されており、ダイオードの感光部に光を取り込みます。ダイオードは通常、強い抵抗を持っており、光はその抵抗を減少させます。

ツェナーダイオード

ツェナーダイオードは、普通のダイオードと同じように、大きな逆電圧で破壊される代わりに、電気を通すダイオードです。そのために必要な電圧を降伏電圧またはツェナー電圧と呼びます。ブレークダウン電圧が既知の状態で作られているため、既知の電圧を供給するために使用することができます。

バラクターダイオード

バリキャップやバラクターダイオードは、多くの家電製品に使われています。これは、ダイオードのp面とn面の間にある、電子と正孔が均衡する領域を利用したものです。これを空乏部（くうぼうぶ）と呼びます。逆電圧の大きさを変えることで、空乏領域の大きさが変化します。この部分には容量があり、空乏部の大きさに応じて容量が変化します。これを可変容量といい、略してバリキャップと呼ぶ。チップの高速動作周波数を制御するPLL（Phase-locked Loop）に利用されている。

ステップ-リカバリー-ダイオード

ひっかかりのようなものがあるダイオードのシンボルマークです。GHzまでの高周波を扱う回路に使用される。順方向電圧が停止すると非常に早くオフになる。そのために極性を反転させた後に流れる電流を利用しています。

PINダイオード

このダイオードの構造は、n面とp面の間に固有（正常）層がある。低周波では、標準的なダイオードとほぼ同じ働きをする。しかし、高速になると、速い変化についていけなくなり、抵抗のように動作し始める。また、固有層は高電力の入力を扱うことができ、フォトダイオードとして使用することができる。

ショットキーダイオード

その象徴が、ピークに「S」をつけたダイオードのシンボルである。両面が半導体（シリコンなど）ではなく、片面がアルミニウムやニッケルなどの金属になっています。これにより、カットイン電圧は約0.3Vに低下する。これは、通常のダイオードのしきい値電圧の約半分である。このダイオードの機能は、少数キャリアが注入されないこと、つまりn面には電子ではなく正孔しかなく、p面には正孔ではなく電子しかないことである。この方がクリーンなので、速度を落とす拡散容量がなく、高速に反応させることができます。また、熱の発生も少なく、効率的です。しかし、逆電圧による電流の漏れがあります。

ダイオードが電流を流している状態から、電流を流していない状態に切り替わることをスイッチングという。一般的なダイオードでは、このスイッチングに数十ナノ秒かかるため、ラジオノイズが発生し、一時的に電波の品質が低下する。ショットキーダイオードは、そのわずかな時間、1ナノ秒未満でスイッチングを行う。

トンネルダイオード

トンネルダイオードのシンボルでは、通常のシンボルの端に四角い括弧のようなものが追加されている。

トンネルダイオードは、高ドープのpn接合で構成されています。この高濃度ドーピングのため、電子が通過できるのは非常に狭い隙間だけである。このトンネル効果は、両方向に現れる。ある量の電子が通過すると、ギャップを流れる電流は減少し、しきい値電圧でダイオードを流れる通常の電流が始まる。このため、負の抵抗の領域が発生する。このダイオードは、本当に高い周波数（100GHz）を扱うために使用される。また、放射線に強いので、宇宙船にも使われている。また、電子レンジや冷蔵庫にも使われています。

バックワードダイオード

ダイオードの先端に大きなIのような記号がある。トンネルダイオードと似たような作りだが、n層とp層のドープ量はそれほど高くない。小さな負電圧で電流を逆流させることができる。低電圧（0.7ボルト以下）の整流に用いることができる。

シリコン制御整流器(SCR)

通常のダイオードのように2層ではなく、4層になっており、基本的には2つのダイオードを組み合わせて、その真ん中にゲートがあります。ゲートとカソードの間に電圧がかかると、下のトランジスタがオンになる。これによって電流が流れ、上のトランジスタが活性化され、ゲート電圧で電流を流す必要がなくなります。