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 シリコン ダイオードのクローズアップ図。アノードは右側、カソードは左側 (黒い帯でマークされている部分) にあります。2 つのリードの間には四角いシリコン結晶が見えます。 | |
| タイプ | 受け身 |
|---|---|
| 発明家 | グリーンリーフ・ウィッティア・ピカード |
| 発明年 | 1903年 |
| 端末数 | 2 |
| ピン名 | 陽極と陰極 |
| 電子シンボル | |
 | |
ダイオードは、主に一方向に電流を流す(非対称コンダクタンス) 2端子の 電子部品です。一方向の抵抗は低く (理想的にはゼロ) 、他方向の抵抗は高くなります (理想的には無限大)。
今日最も一般的に使用されている半導体ダイオードは、 2つの電気端子に接続されたp-n接合を持つ結晶半導体材料です。 [4]指数関数的な電流-電圧特性を持っています。半導体ダイオードは最初の半導体電子デバイスでした。結晶鉱物と金属の接触による非対称電気伝導の発見は、 1874年にドイツの物理学者フェルディナント・ブラウンによってなされました。今日、ほとんどのダイオードはシリコンで作られていますが、ガリウムヒ素やゲルマニウムなどの他の半導体材料も使用されています。[5]
旧式の熱電子ダイオードは、加熱されたカソードとプレートの2 つの電極を備えた真空管で、電子はカソードからプレートへの一方向にのみ流れます。
ダイオードは、交流(AC) 電力を直流(DC)に変換する整流器、ラジオ受信機の復調器など、さまざまな用途に使用されています。また、ロジックや温度センサーとしても使用できます。ダイオードの一般的なバリエーションは発光ダイオードで、電気照明や電子機器のステータスインジケーターとして使用されます。
主な機能
一方向の電流の流れ
ダイオードの最も一般的な機能は、電流を一方向に流し（ダイオードの順方向）、反対方向（逆方向）には流さないことです。水力学における類似点はチェックバルブです。この一方向の動作により、交流（AC）を直流（DC）に変換できます。このプロセスは整流と呼ばれます。整流器としてのダイオードは、無線受信機で無線信号から変調を抽出するなどのタスクに使用できます。
閾値電圧
ダイオードの動作は、順方向しきい値電圧、ターンオン電圧、またはカットイン電圧を持つものとして簡略化されることが多く、これを超えると大きな電流が流れ、これより低いとほとんど電流が流れなくなります。これはダイオードの構成によって異なります。
この電圧は、ダイオードの順方向電圧降下または単に電圧降下と呼ばれることもあります。これは、指数関数の急峻さの結果として、ダイオードの電圧降下が通常の順方向バイアス動作条件下で閾値電圧を大幅に超えることはないためです。データシートには通常、指定された電流と温度（LEDの場合は20 mA、25 ° Cなど）に対する標準または最大の順方向電圧（V F ）が記載されているため、 [6]ユーザーは、特定の量の電流がいつ流れるかについて保証されます。電流が大きいほど、ダイオードの順方向電圧降下は大きくなります。たとえば、シリコンパワーダイオードの場合、定格電流で1 V～1.5 Vの降下が一般的です。（整流器 § 整流器の電圧降下も参照）
しかし、半導体ダイオードの指数関数的な 電流-電圧特性は、実際にはこの単純なオン-オフ動作よりも緩やかです。[7]指数関数は線形スケールで見るとこのしきい値のあたりに明確な「膝」があるように見えるかもしれませんが、この膝は電流を表す y 軸のスケールに依存する錯覚です。半対数プロット(電流に対数スケール、電圧に線形スケールを使用)では、ダイオードの指数曲線はむしろ直線のように見えます。
ダイオードの順方向電圧降下は電流によってわずかにしか変化せず、温度の関数となるため、この効果は温度センサーとして、またはやや不正確な電圧基準として使用できます。
逆の内訳
ダイオードは逆方向に流れる電流に対して高い抵抗を持っていますが、ダイオードにかかる逆電圧がブレークダウン電圧と呼ばれる値に達すると、抵抗が突然低くなります。この効果は、電圧を調整するため (ツェナー ダイオード) や、高電圧サージから回路を保護するため (アバランシェ ダイオード) に使用されます。
その他の機能
半導体ダイオードの電流電圧特性は、半導体材料と製造中に材料に導入されるドーピング不純物を選択することで調整できます。 [7]これらの技術は、さまざまな機能を実行する特殊用途のダイオードを作成するために使用されます。[7]たとえば、ラジオやテレビ受信機を電子的に調整するため (バラクタダイオード)、無線周波数 発振を生成するため(トンネルダイオード、ガンダイオード、IMPATTダイオード)、光を生成するため (発光ダイオード) です。トンネルダイオード、ガンダイオード、IMPATTダイオードは負性抵抗を示し、マイクロ波回路やスイッチング回路に役立ちます。
真空ダイオードと半導体ダイオードの両方をショットノイズ発生器として使用できます。
歴史
熱電子（真空管）ダイオードと固体（半導体）ダイオードは、1900年代初頭に、ラジオ受信機の検出器としてほぼ同時期に別々に開発されました。[8] 1950年代までは、初期の点接触型半導体ダイオードは安定性が劣っていたため、ラジオでは真空ダイオードがより頻繁に使用されていました。また、ほとんどの受信機には増幅用の真空管があり、その真空管に熱電子ダイオードを簡単に組み込むことができました（たとえば、12SQ7 ダブルダイオードトライオード）。また、真空管整流器とガス充填整流器は、当時利用可能だった半導体ダイオード（セレン整流器など）よりも、高電圧/高電流の整流タスクを処理する能力がありました。
1873年、フレデリック・ガスリーは、接地された白熱した金属球を検電器に近づけると、正に帯電した検電器は放電するが、負に帯電した検電器は放電しないことを観察した。[9] [10] 1880年、トーマス・エジソンは、電球内の加熱された要素と加熱されていない要素の間に一方向の電流が流れるのを観察し（後にエジソン効果と呼ばれる）、この現象を直流 電圧計に応用した特許を取得した。[11] [12]約20年後、ジョン・アンブローズ・フレミング（マルコーニ社の科学顧問で元エジソン社員）は、エジソン効果が無線検出器として使えることに気づいた。フレミングは1904年11月16日に英国で最初の真の熱電子ダイオードであるフレミングバルブの特許を取得した（ [13] （1905年11月に米国特許803,684が続く）。真空管の時代を通じて、バルブ ダイオードはラジオ、テレビ、音響システム、計測機器など、ほぼすべての電子機器に使用されていました。1940 年代後半からセレン整流器技術の登場により徐々に市場シェアを失い、1960 年代には半導体ダイオードの登場によりシェアを失いました。今日でも、バルブ ダイオードは、過渡電圧に耐える能力と堅牢性により半導体デバイスよりも優れているいくつかの高出力アプリケーションや、楽器やオーディオ愛好家のアプリケーションで使用されています。
1874年、ドイツの科学者カール・フェルディナント・ブラウンは、金属と鉱物の接触による「一方向伝導」を発見した。[14] [15]インドの科学者ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースは、1894年に初めて電波の検出に結晶を使用した。[16]結晶検出器は、グリーンリーフ・ホイッティア・ピカードによって無線電信用の実用的な装置に開発され、ピカードは1903年にシリコン結晶検出器を発明し、1906年11月20日に特許を取得した。 [17]他の実験者は、検出器として他のさまざまな鉱物を試した。半導体の原理は、これらの初期の整流器の開発者には知られていなかった。1930年代には物理学の理解が進み、1930年代半ばにはベル電話研究所の研究者が、マイクロ波技術への応用における結晶検出器の可能性を認識した。[18]ベル研究所、ウェスタンエレクトリック、MIT、パデュー大学、英国の研究者らは、第二次世界大戦中にレーダーへの応用を目的として点接触ダイオード（結晶整流器または結晶ダイオード）を集中的に開発しました。 [18]第二次世界大戦後、AT&Tは米国中を縦横に走るマイクロ波塔にこれを使用しました。また、21世紀においても多くのレーダー装置で使用されています。1946年、シルバニアは1N34結晶ダイオードの提供を開始しました。[19] [20] [21] 1950年代初頭には接合ダイオードが開発されました。
2022年には、外部磁場なしで初めて超伝導ダイオード効果が実現されました。[22]
語源
非対称伝導装置は発明当時、整流器として知られていた。四極管が発明された1919年、ウィリアム・ヘンリー・エクルズはギリシャ語の「2」を意味するdi （ δίから）と「経路」を意味するode（οδόςから）からダイオードという造語を作った。しかし、ダイオードという言葉は、三極管、四極管、五極管、六極管が多重電信用語としてすでに使用されていた。[23]
すべてのダイオードは整流しますが、「整流器」は通常、小信号回路用のダイオードと区別するために、電源供給に使用されるダイオードに適用されます。
真空管ダイオード
 無線機器の整流器として使用される高出力真空ダイオード。 | |
| タイプ | 熱電子 |
|---|---|
| ピン名 | プレートとカソード、ヒーター（間接加熱の場合） |
| 電子シンボル | |
 間接加熱真空管ダイオードの記号。上から下の順に、要素名はプレート、カソード、ヒーターです。 | |
熱電子ダイオードは、 2 つの電極(カソードとプレート)を含む、密閉され真空にされたガラスまたは金属の容器で構成された熱電子バルブデバイスです。カソードは間接加熱または直接加熱されます。間接加熱を使用する場合は、容器内にヒーターが組み込まれます。
作動中、陰極は赤熱し、約 800～1,000 °C (1,470～1,830 °F) になります。直接加熱される陰極はタングステン線で作られており、外部電源から流れる電流によって加熱されます。間接加熱される陰極は、ニクロム線で作られ、外部電源から供給される電流が供給される近くのヒーターからの赤外線放射によって加熱されます。
陰極の動作温度によって、陰極は真空中に電子を放出します。このプロセスは熱電子放出と呼ばれます。陰極は、バリウムやストロンチウムの酸化物などのアルカリ土類金属の酸化物でコーティングされています。これらの酸化物は仕事関数が低いため、コーティングされていない陰極よりも電子を放出しやすくなります。
プレートは加熱されていないため、電子を放出しませんが、電子を吸収することができます。
整流される交流電圧は、カソードとプレートの間に印加されます。プレート電圧がカソードに対して正の場合、プレートは静電的にカソードから電子を引き寄せるため、電子の電流がチューブを通ってカソードからプレートに流れます。プレート電圧がカソードに対して負の場合、プレートから電子は放出されないため、プレートからカソードに電流は流れません。
半導体ダイオード
点接触ダイオード
ポイントコンタクトダイオードは、1930 年代に初期の結晶検出器技術から開発され始め、現在では 3～30 ギガヘルツの範囲で一般的に使用されています。[18] [24] [25] [26]ポイントコンタクトダイオードは、半導体結晶と接触する小径の金属ワイヤを使用し、非溶接接触型と溶接接触型のいずれかです。非溶接接触構造は、ショットキー障壁の原理を利用しています。金属側は、半導体結晶と接触している小径ワイヤの尖端です。[27]溶接接触型では、製造中にデバイスに比較的大きな電流を瞬間的に流すことによって、金属ポイントの周りの N 型結晶に小さな P 領域が形成されます。[28] [29]ポイントコンタクトダイオードは一般に、接合ダイオードよりも静電容量が低く、順方向抵抗が高く、逆方向リークが大きくなります。
接合ダイオード
p-n接合ダイオード
p-n接合ダイオードは半導体の結晶でできており、通常はシリコンですが、ゲルマニウムやガリウムヒ素も使用されます。不純物が加えられて、一方の側に負の電荷キャリア（電子）を含むn型半導体と呼ばれる領域と、もう一方の側に正の電荷キャリア（正孔）を含むp型半導体と呼ばれる領域が作成されます。n型材料とp型材料を接合すると、n側からp側への電子の瞬間的な流れが発生し、2つの材料の間に電荷キャリアが存在しない第3の領域が生成されます。この領域は、電荷キャリア（電子も正孔も）が存在しないことから、空乏領域と呼ばれます。ダイオードの端子は、n型領域とp型領域に接続されます。これら2つの領域の境界はp-n接合と呼ばれ、ダイオードの動作が発生します。P 側 (アノード) に N 側 (カソード) よりも十分に高い電位が印加されると、電子は空乏領域を通って N 型側から P 型側に流れます。電位が逆に印加されると、接合は反対方向への電子の流れを許可しないため、ある意味では電気的なチェック バルブが形成されます。
ショットキーダイオード
別のタイプの接合ダイオードであるショットキーダイオードは、 p-n接合ではなく金属-半導体接合から形成され、静電容量を低減し、スイッチング速度を向上させます。 [30] [31]
電流電圧特性
半導体ダイオードの回路内での動作は、その電流-電圧特性によって決まります。曲線の形状は、異なる半導体間のp-n 接合部に存在するいわゆる空乏層または空乏領域を通る電荷キャリアの輸送によって決まります。p-n 接合部が最初に作成されると、伝導帯 (可動) 電子が Nドープ領域から Pドープ領域に拡散します。P ドープ領域には、電子が「再結合」する正孔 (電子の空き場所) が大量に存在します。可動電子が正孔と再結合すると、正孔と電子の両方が消滅し、N 側には移動しない正電荷のドナー (ドーパント) が、P 側には負電荷のアクセプタ (ドーパント) が残ります。p-n 接合部の周囲の領域は電荷キャリアが枯渇し、絶縁体として動作します。
しかし、空乏領域の幅 (空乏幅と呼ばれる) は無制限に拡大することはできません。電子と正孔のペアが再結合するたびに、正に帯電したドーパントイオンが N ドープ領域に残され、負に帯電したドーパント イオンが P ドープ領域に生成されます。再結合が進み、より多くのイオンが生成されるにつれて、空乏領域に電界が増大し、再結合を遅くして最終的に停止するようになります。この時点で、空乏領域全体に「組み込み」電位が存在します。
逆バイアス
ダイオードに内蔵電位と同じ極性の外部電圧を印加すると、空乏層は絶縁体として機能し続け、大きな電流の流れを防ぎます（光などによって接合部で電子と正孔の対が活発に生成されない限り。フォトダイオードを参照）。
フォワードバイアス
しかし、外部電圧の極性が内蔵電位と反対の場合、再結合が再び進行し、p-n 接合部を流れる大量の電流（つまり、接合部で大量の電子と正孔が再結合する）が電圧とともに指数関数的に増加します。
営業地域
ダイオードの電流-電圧特性は、4 つの動作領域で近似できます。バイアス電圧が低いものから高いものの順に、次のようになります。
- ブレークダウン: 逆バイアスが非常に大きい場合、つまりピーク逆電圧(PIV) を超える場合、逆ブレークダウンと呼ばれるプロセスが発生し、電流が大幅に増加します (つまり、p-n 接合で多数の電子と正孔が生成され、そこから移動します)。これにより、通常はデバイスが永久に損傷します。アバランシェ ダイオードは、意図的にそのように使用されるように設計されています。ツェナー ダイオードでは、PIV の概念は適用されません。ツェナー ダイオードには、高濃度にドープされた p-n 接合が含まれており、電子が p 型材料の価電子帯から n 型材料の伝導帯にトンネルできるため、逆電圧が既知の値 (ツェナー電圧と呼ばれる) に「クランプ」され、アバランシェは発生しません。ただし、両方のデバイスには、クランプされた逆電圧領域で耐えられる最大電流と電力の制限があります。また、どのダイオードでも、順方向の伝導が終了した後、短時間逆電流が発生します。逆電流が停止するまで、デバイスは完全なブロッキング機能を達成しません。
- 逆バイアス: ブレークダウンと 0 V の間のバイアスでは、逆電流は非常に小さく、漸近的に - I sに近づきます。通常の P-N 整流ダイオードの場合、デバイスを流れる逆電流はマイクロアンペア (μA) の範囲です。ただし、これは温度に依存し、十分に高い温度では、かなりの量の逆電流 (mA 以上) が観測されることがあります。また、電子が不完全な絶縁体であるかのようにダイオードの周りを回ることによって生じる、わずかな表面漏れ電流もあります。
さまざまなダイオードの半対数I-V (対数電流対線形電圧) グラフ。 - 順方向バイアス: 電流-電圧曲線は指数関数的であり、ショックレーのダイオード方程式に近似します。線形電流スケールを使用してプロットすると、滑らかな「膝」が現れますが、片対数グラフには明確なしきい値電圧は表示されません。
- 平坦化: 順方向電流が大きくなると、電流-電圧曲線はバルク半導体のオーム抵抗によって支配され始めます。曲線はもはや指数関数的ではなく、傾きがバルク抵抗である直線に漸近します。この領域はパワーダイオードにとって特に重要であり、固定抵抗器と直列に接続されたショックレー理想ダイオードによってモデル化できます。
ショックレーダイオード方程式
ショックレーの理想ダイオード方程式またはダイオード法則(バイポーラ接合トランジスタの共同発明者であるウィリアム ブラッドフォード ショックレーにちなんで名付けられました)は、中程度の順方向または逆方向バイアスにおけるダイオードの指数関数的な電流-電圧 (I-V) 関係をモデル化します。詳細については、ショックレーのダイオード方程式の記事を参照してください。
小信号動作
順方向電圧が飽和電圧より低い場合、ほとんどのダイオードの電圧対電流特性曲線は直線にはなりません。電流は、ショックレー ダイオード方程式の記事 で説明されているように、次のように近似できます。
検出器やミキサーのアプリケーションでは、電流はテイラー級数で推定できます。[32]奇数項はミキサーや検出器の通過帯域外の周波数成分を生成するため省略できます。2次微分を超える項は2次項に比べて小さいため、通常は含める必要はありません。[32]目的の電流成分は入力電圧の2乗にほぼ比例するため、この領域での応答は2乗則と呼ばれます。[27] : p. 3
逆回復効果
ap-n 型ダイオードでは、順方向の伝導が終了した後、逆方向の電流が短時間流れることがあります。接合部の移動電荷がなくなるまで、デバイスは阻止能力を発揮しません。
この効果は、大電流を非常に高速に切り替えるときに顕著になることがあります。[33]ダイオードから逆回復電荷Q r を除去するには、ある程度の「逆回復時間」t r (数十ナノ秒から数マイクロ秒のオーダー) が必要になる場合があります。この回復時間中、ダイオードは実際に逆方向に導通することがあります。これにより、ダイオードが逆バイアスされている間、短時間、逆方向に大きな電流が発生する可能性があります。このような逆電流の大きさは動作回路 (つまり、直列抵抗) によって決まり、ダイオードは蓄積フェーズにあると言われています。[34] 実際の特定のケースでは、この非理想的なダイオード効果によって発生する損失を考慮することが重要です。[35]ただし、電流のスルーレートがそれほど厳しくない場合 (たとえば、ライン周波数)、この効果は無視しても問題ありません。ほとんどのアプリケーションでは、ショットキーダイオードの場合、この効果も無視できます。
蓄積された電荷がなくなると逆電流は突然停止します。この突然の停止は、ステップ回復ダイオードで非常に短いパルスを生成するために利用されます。
半導体ダイオードの種類
通常の（p-n）ダイオードは、上記のように動作し、通常はドープされたシリコンまたはゲルマニウムで作られています。シリコン電力整流ダイオードが開発される前は、酸化第一銅、後にセレンが使用されていました。効率が低いため、はるかに高い順方向電圧を印加する必要があり（通常、1「セル」あたり1.4～1.7 Vで、高電圧整流器への応用ではピーク逆電圧定格を高めるために複数のセルを積み重ねる）、大きなヒートシンク（多くの場合、ダイオードの金属基板の延長）が必要でした。これは、同じ電流定格の後発のシリコンダイオードに必要なサイズよりもはるかに大きいものでした。ダイオードの大部分は、CMOS 集積回路に見られるp-nダイオードであり、[36]ピンあたり2つのダイオードと他の多くの内部ダイオードが含まれています。
- アバランシェダイオード
- これらは、逆バイアス電圧がブレークダウン電圧を超えると逆方向に導通するダイオードです。これらは電気的にはツェナー ダイオードと非常によく似ており (しばしば誤ってツェナー ダイオードと呼ばれます)、ブレークダウンのメカニズムは異なります。それがアバランシェ効果です。これは、p-n 接合にかかる逆電界によってアバランシェを思わせるイオン化波が発生し、大きな電流につながる場合に発生します。アバランシェ ダイオードは、明確に定義された逆電圧で破壊されることなくブレークダウンするように設計されています。アバランシェ ダイオード (逆方向ブレークダウンが約 6.2 V を超える) とツェナーの違いは、前者のチャネル長が電子の平均自由行程を超えているため、チャネルを通過する途中で電子同士の衝突が多数発生することです。2 つのタイプの唯一の実質的な違いは、温度係数の極性が逆であることです。
- 定電流ダイオード
- これらは実際にはゲートがソースに短絡されたJFET [37]であり、電圧制限ツェナーダイオードの2端子電流制限アナログのように機能します。これらを通過する電流は一定の値まで上昇し、その後特定の値で安定します。CLD 、定電流ダイオード、ダイオード接続トランジスタ、または電流調整ダイオードとも呼ばれます。
- クリスタル整流器またはクリスタルダイオード
- これらは点接触ダイオードです。[27] 1N21シリーズなどは、レーダーやマイクロ波受信機のミキサーや検出器の用途に使用されています。[24] [25] [26] 1N34Aは結晶ダイオードの別の例です。[38]
- ガンダイオード
- これらは、負の微分抵抗領域を示す GaAs や InP などの材料で作られている点でトンネル ダイオードに似ています。適切なバイアスをかけると、双極子ドメインが形成されてダイオードを横切って移動し、高周波マイクロ波 発振器を構築できます。
- 発光ダイオード（LED）
- ガリウムヒ素などの直接バンドギャップ半導体から形成されたダイオードでは、接合部を通過する電荷キャリアが反対側の多数キャリアと再結合するときに光子を放出します。材料に応じて、赤外線から近紫外線までの波長（または色）[39]が生成される場合があります。[40]最初のLEDは赤と黄色で、時間の経過とともに高周波ダイオードが開発されました。すべてのLEDは非干渉性の狭いスペクトルの光を生成します。「白色」LEDは実際には黄色のシンチレータコーティングを施した青色LED 、または異なる色の3つのLEDの組み合わせです。LEDは、信号アプリケーションで低効率のフォトダイオードとしても使用できます。LEDを同じパッケージでフォトダイオードまたはフォトトランジスタと組み合わせて、光アイソレータを形成できます。
- レーザーダイオード
- 平行端面を研磨して形成された共振空洞内に LED のような構造を収めると、レーザーを形成できます。レーザー ダイオードは、光ストレージデバイスや高速光通信によく使用されます。
- サーマルダイオード
- この用語は、温度に応じて順方向電圧が変化するため温度を監視するために使用される従来の p-n ダイオードと、熱電加熱および冷却用のペルチェ ヒート ポンプの両方に使用されます。ペルチェ ヒート ポンプは半導体で作られる場合がありますが、整流接合はなく、N 型および P 型半導体の電荷キャリアの異なる動作を使用して熱を移動します。
- フォトダイオード
- すべての半導体は光電荷キャリア生成の影響を受けます。これは通常望ましくない効果であるため、ほとんどの半導体は光を遮断する材料でパッケージ化されています。フォトダイオードは光を感知することを目的としているため（光検出器）、光を通過させる材料でパッケージ化されており、通常はPIN（光に最も敏感なタイプのダイオード）です。[41]フォトダイオードは、太陽電池、測光、または光通信に使用できます。複数のフォトダイオードを1つのデバイスにパッケージ化する場合があり、線形アレイまたは2次元アレイのいずれかになります。これらのアレイを電荷結合デバイスと混同しないでください。
- PINダイオード
- PINダイオードは、中央の非ドープ層または真性層を持ち、p型/真性/n型構造を形成します。[42] PINダイオードは、無線周波数スイッチや減衰器として使用されます。また、大容量の電離放射線検出器や光検出器としても使用されます。PINダイオードは、中央層が高電圧に耐えられるため、パワーエレクトロニクスでも使用されます。さらに、PIN構造は、 IGBT、パワーMOSFET、サイリスタなどの多くの電力半導体デバイスに使用されています。
- ショットキーダイオード
- ショットキーダイオードは、金属と半導体の接点から構成されています。p-n 接合ダイオードよりも順方向電圧降下が低くなっています。順方向電流が約 1 mA のときの順方向電圧降下は 0.15 V ～ 0.45 V の範囲にあるため、電圧クランプ アプリケーションやトランジスタの飽和防止に役立ちます。また、低損失整流器としても使用できますが、逆方向リーク電流は一般に他のダイオードよりも高くなります。ショットキー ダイオードは多数キャリアデバイスであるため、他の多くのダイオードを遅くする少数キャリア蓄積の問題がなく、p-n 接合ダイオードよりも逆回復が高速です。また、p-n ダイオードよりも接合容量がはるかに低い傾向があるため、スイッチング速度が速く、スイッチング モード電源、ミキサー、検出器などの高速回路や RF デバイスで使用できます。
- スーパーバリアダイオード
- スーパーバリアダイオードは、ショットキーダイオードの低い順方向電圧降下と、通常の p-n 接合ダイオードのサージ処理能力および低い逆方向リーク電流を組み合わせた整流ダイオードです。
- 金ドープダイオード
- ドーパントとしての金（または白金）は再結合中心として機能し、少数キャリアの高速再結合を助けます。これにより、ダイオードはより高い信号周波数で動作できますが、より高い順方向電圧降下を犠牲にします。金ドープダイオードは他のp-nダイオードよりも高速です（ただし、ショットキーダイオードほど高速ではありません）。また、ショットキーダイオードよりも逆電流リークが少なくなっています（ただし、他のp-nダイオードほど良くはありません）。[43] [44]典型的な例は1N914です。
- スナップオフダイオードまたはステップリカバリダイオード
- ステップ回復という用語は、これらのデバイスの逆回復特性の形式に関連しています。順方向電流がSRDを通過した後、電流が中断または反転されると、逆伝導は突然停止します (ステップ波形のように)。したがって、SRD は、電荷キャリアが突然消失することで、非常に高速な電圧遷移を提供できます。
- スタビスタまたは順方向基準ダイオード
- スタビスタという用語は、極めて安定した順方向電圧特性を特徴とする特殊なタイプのダイオードを指します。これらのデバイスは、広い電流範囲にわたって保証された電圧と温度に対して高い安定性を必要とする低電圧安定化アプリケーション向けに特別に設計されています。
- 過渡電圧抑制ダイオード(TVS)
- これらは、他の半導体デバイスを高電圧過渡現象から保護するために特別に設計されたアバランシェダイオードです。[45] p-n接合の断面積は通常のダイオードよりもはるかに大きく、損傷を受けることなく大電流を接地に流すことができます。
- トンネルダイオードまたはエサキダイオード
- これらは量子トンネル効果によって生じる負性抵抗を示す動作領域を持ち、[46]信号の増幅と非常に単純な双安定回路を可能にします。キャリア濃度が高いため、トンネルダイオードは非常に高速で、低温（mK）、高磁場、高放射線環境でも使用できます。[47]これらの特性のため、宇宙船でよく使用されます。
- バリキャップまたはバラクタダイオード
- これらは電圧制御コンデンサとして使用されます。これらは PLL (位相同期回路) および FLL (周波数同期回路) 回路で重要であり、テレビ受信機などのチューニング回路が周波数にすばやくロックできるようにします。また、ラジオの初期の離散チューニングでは、安価で安定しているが固定周波数の水晶発振器が電圧制御発振器の基準周波数を提供していたため、同調可能な発振器も可能になりました。
- ツェナーダイオード
- これらは逆バイアス（逆方向）で導通させることができ、正しくは逆ブレークダウン・ダイオードと呼ばれます。ツェナーブレークダウンと呼ばれるこの効果は、正確に定義された電圧で発生するため、ダイオードを高精度の電圧リファレンスとして使用できます。ツェナーダイオードという用語は、口語的にはいくつかの種類のブレークダウン・ダイオードに適用されますが、厳密に言えば、ツェナーダイオードのブレークダウン電圧は 5 ボルト未満で、アバランシェダイオードはその値を超えるブレークダウン電圧に使用されます。実際の電圧リファレンス回路では、ツェナーダイオードとスイッチングダイオードが直列かつ逆方向に接続され、ダイオードの温度係数応答をほぼゼロにバランスさせます。高電圧ツェナーダイオードと表示されているデバイスの中には、実際にはアバランシェダイオードであるものがあります（上記を参照）。同じパッケージで逆の順序で直列に接続された 2 つの（同等の）ツェナーは、過渡吸収器（または登録商標であるTransorb）を構成します。
グラフィックシンボル
回路図で特定のタイプのダイオードを表すために使用される記号は、読者に一般的な電気機能を伝えます。ダイオードのタイプによっては、別の記号もありますが、違いはわずかです。記号の三角形は順方向、つまり通常の電流の方向を示します。
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ダイオード
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発光ダイオード（LED） -
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過渡電圧抑制ダイオード(TVS) -
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ダイオード シンボルと同じ配置の一般的なダイオード パッケージ。細いバーはカソードを表します。
番号付けとコード体系
ダイオードには、一般的な標準およびメーカー主導の番号付けとコーディング方式が多数あります。最も一般的な 2 つは、EIA / JEDEC標準と European Pro Electron標準です。
EIA/JEDEC
標準化された1Nシリーズの番号付けEIA370システムは、1960年頃にEIA/JEDEC（電子デバイス技術協議会）によって米国で導入されました。ほとんどのダイオードには1で始まる番号が付けられています（例：1N4003）。このシリーズで最も人気のあるものには、1N34A/1N270（ゲルマニウム信号）、1N914/ 1N4148（シリコン信号）、1N400x（シリコン1A電力整流器）、1N580x（シリコン3A電力整流器）などがあります。[48] [49] [50]
JIS
JIS半導体指定システムでは、すべての半導体ダイオードの指定は「1S」で始まります。
プロエレクトロン
能動部品用のヨーロッパのPro Electronコーディング システムは1966 年に導入され、2 つの文字とそれに続く部品コードで構成されています。最初の文字は部品に使用される半導体材料 (A = ゲルマニウム、B = シリコン) を表し、2 番目の文字は部品の一般的な機能 (ダイオードの場合、A = 低電力/信号、B = 可変容量、X = 乗算器、Y = 整流器、Z = 電圧基準) を表します。例:
- AAシリーズゲルマニウム低電力/信号ダイオード（例：AA119）
- BAシリーズシリコン低電力/信号ダイオード（例：BAT18シリコンRFスイッチングダイオード）
- BYシリーズシリコン整流ダイオード（例：BY127 1250V、1A整流ダイオード）
- BZシリーズ シリコン ツェナー ダイオード (例: BZY88C4V7 4.7V ツェナー ダイオード)
その他の一般的な番号付け/コーディング システム (通常はメーカー主導) には次のものがあります。
関連デバイス
光学において、ダイオードと同等のデバイスであるがレーザー光を用いたものとしては、光アイソレータ（光ダイオードとも呼ばれる）があり、これは光を一方向にのみ通過させる。これはファラデー回転子を主な構成要素とする。[51]
アプリケーション
無線復調
ダイオードの最初の用途は、振幅変調(AM) ラジオ放送の復調でした。この発見の歴史については、水晶検波器の記事で詳しく説明しています。要約すると、AM 信号はラジオ搬送波の正と負のピークが交互に現れたもので、その振幅またはエンベロープは元のオーディオ信号に比例します。ダイオードはAM ラジオ周波数信号を整流し、搬送波の正のピークのみを残します。次に、整流された搬送波から簡単なフィルターを使用して音声が抽出され、オーディオ アンプまたはトランスデューサーに送られ、オーディオ スピーカーから音波が生成されます。
マイクロ波およびミリ波技術では、1930年代から研究者らが結晶検出器の改良と小型化を進めてきました。点接触ダイオード（結晶ダイオード）とショットキーダイオードは、レーダー、マイクロ波、ミリ波検出器に使用されています。[30]
電力変換
整流器はダイオードで構成されており、交流(AC) 電気を直流(DC) に変換するために使用されます。自動車のオルタネーターは一般的な例で、AC を DC に整流するダイオードは、整流子やそれ以前のダイナモよりも優れた性能を発揮します。同様に、ダイオードはコッククロフト・ウォルトン 電圧倍増器でも使用され、AC をより高い DC 電圧に変換します。
逆電圧保護
ほとんどの電子回路は、電源入力の極性が逆になると損傷を受ける可能性があるため、そのような状況から保護するために直列ダイオードが使用されることがあります。この概念は、逆電圧保護、逆極性保護、逆バッテリー保護など、同じ意味を持つ複数の名前で知られています。
過電圧保護
ダイオードは、損傷を引き起こす高電圧を敏感な電子デバイスから遠ざけるためによく使用されます。通常、通常の状況では逆バイアス (非伝導) になっています。電圧が通常の範囲を超えると、ダイオードは順バイアス (伝導) になります。たとえば、ダイオードは (ステッピング モーターとH ブリッジ)モーター コントローラーとリレー回路で使用され、通常発生する損傷を引き起こす電圧スパイクを発生させることなく、コイルを急速に消勢します(このような用途で使用されるダイオードは、フライバック ダイオードと呼ばれます)。多くの集積回路では、接続ピンにダイオードが組み込まれており、外部電圧によって敏感なトランジスタが損傷するのを防止します。高電力での過電圧から保護するために、特殊なダイオードが使用されます (上記のダイオードの種類を参照)。
論理ゲート
ダイオード抵抗ロジックは、ANDおよびOR ロジック ゲートを構成します。反転を提供するアクティブ デバイスを追加することで、機能の完全性を実現できます(ダイオード トランジスタ ロジックの場合と同様)。
電離放射線検出器
半導体ダイオードは、前述の光に加えて、よりエネルギーの高い放射線にも敏感です。電子機器では、宇宙線やその他の電離放射線源がノイズ パルスや単一ビットエラー、複数ビットエラーの原因となります。この効果は、放射線を検出するために粒子検出器によって利用されることがあります。数千または数百万電子ボルトのエネルギーを持つ単一の放射線粒子は、そのエネルギーが半導体材料に蓄積されるにつれて、多くの電荷キャリア対を生成します。空乏層が十分に大きく、シャワー全体を捕らえるか重い粒子を止めることができる場合は、伝導された電荷を測定するだけで、磁気分光計などの複雑さを必要とせずに、粒子のエネルギーをかなり正確に測定できます。これらの半導体放射線検出器には、効率的で均一な電荷収集と低いリーク電流が必要です。多くの場合、液体窒素で冷却されます。長距離（約 1 センチメートル）の粒子の場合、非常に大きな空乏深度と大きな面積が必要です。短距離の粒子の場合、少なくとも 1 つの表面の接触または空乏化されていない半導体が非常に薄くなければなりません。バックバイアス電圧はブレークダウンに近い（1 センチメートルあたり約 1,000 ボルト）。ゲルマニウムとシリコンは一般的な材料です。これらの検出器の一部は位置とエネルギーを感知します。特に重い粒子を検出する場合は、放射線による損傷のため寿命が限られています。シリコンとゲルマニウムは、ガンマ線を電子シャワーに変換する能力がまったく異なります。
高エネルギー粒子用の半導体検出器は多数使用されていますが、エネルギー損失の変動のため、蓄積されたエネルギーを正確に測定することはあまり役に立ちません。
温度測定
ダイオードは温度測定装置として使用できます。これは、シリコンバンドギャップ温度センサーの場合と同様に、ダイオードの順方向電圧降下が温度に依存するためです。上記のショックレーの理想ダイオードの式から、電圧は正の温度係数（定電流時）を持つように見えるかもしれませんが、通常は逆飽和電流項の変動が熱電圧項の変動よりも重要です。したがって、ほとんどのダイオードは負の温度係数を持ち、シリコンダイオードでは通常 -2 mV/°C です。温度係数は、約 20ケルビンを超える温度ではほぼ一定です。1N400x シリーズ、 [52]および CY7 極低温温度センサー[53]のグラフがいくつか示されています。
現在のステアリング
ダイオードは、意図しない方向への電流を防ぎます。停電時に電気回路に電力を供給するために、回路はバッテリーから電流を引き出すことができます。無停電電源装置では、必要なときだけバッテリーから電流が引き出されるように、ダイオードをこのように使用します。同様に、小型ボートには通常、それぞれ独自のバッテリーを備えた 2 つの回路があります。1 つはエンジン始動用、もう 1 つは家庭用です。通常、両方とも 1 つのオルタネーターから充電され、オルタネーターが作動していないときに、高充電バッテリー (通常はエンジン バッテリー) が低充電バッテリーを介して放電するのを防ぐために、強力な分割充電ダイオードが使用されます。
ダイオードは電子キーボードにも使用されています。電子キーボードに必要な配線量を減らすために、これらの楽器ではキーボード マトリックス回路がよく使用されます。キーボード コントローラーは行と列をスキャンして、演奏者がどの音符を押したかを判断します。マトリックス回路の問題は、複数の音符を同時に押すと、電流が回路を逆方向に流れて「ファントム キー」がトリガーされ、「ゴースト」音が再生される可能性があることです。不要な音符がトリガーされるのを避けるために、ほとんどのキーボード マトリックス回路では、キーボードの各キーの下のスイッチにダイオードがはんだ付けされています。同じ原理が、ソリッド ステートピンボール マシンのスイッチ マトリックスにも使用されています。
波形クリッパー
ダイオードは、信号の正または負の変位を規定の電圧に制限するために使用できます。
クランパー
ダイオードクランプ回路は、正の値と負の値の間で振動する周期的な交流信号を受け取り、正または負のピークが規定のレベルで発生するように垂直方向に変位させることができます。クランプ回路は信号のピークツーピーク変位を制限するのではなく、ピークが基準レベルになるように信号全体を上下に移動します。
指数と対数の計算
ダイオードの指数関数的な電流と電圧の関係は、アナログ電圧信号を使用して指数関数とその逆関数である対数を評価するために利用されます(オペアンプのアプリケーション§§指数 出力と対数出力を参照)。
発振器
1N4148 のような通常の半導体ダイオードを、較正された電流パルスを注入して負の微分抵抗を与えるように変更することが可能です。ダイオードは、アバランシェ ゾーンの近くで逆バイアスされます。この処理の後、L/C 回路に関連付けられたダイオードは、L/C 回路によって設定された周波数で発振できます。最大周波数は、使用するダイオードによって異なります。1N4148 を使用すると、発振は最大 100 Mhz になります (https://www.researchgate.net/publication/384043395_Another_way_to_create_negative_differential_resistance_Author を参照)。
略語
ダイオードは、通常、 PCB上ではダイオードの略称Dで呼ばれます。クリスタル整流器の略称CRが使われることもあります。[54]
参照
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さらに読む
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- ダイオード回路ハンドブック; 第 1 版; Rufus Turner; Howard Sams & Co; 128 ページ; 1963 年; LCCN 63-13904。(アーカイブ)
- ゲルマニウムダイオードの 40 の用途; 第 2 版; シルバニア エレクトリック プロダクツ; 47 ページ; 1949 年(アーカイブ)
- 歴史雑誌
- 整流器アプリケーション ハンドブック; On Semiconductor; 270 ページ; 2001 年(アーカイブ)
- シリコン整流器ハンドブック; 第 1 版; Bob Dale; Motorola; 213 ページ; 1966 年(アーカイブ)
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- ST セレン整流器ハンドブック; 第 1 版; Sarkes Tarzian; 80 ページ; 1950 年(アーカイブ)
- 歴史データブック
- ディスクリート データブック; 1989; National Semiconductor (現 Texas Instruments)
- ディスクリート データブック; 1985; フェアチャイルド (現 ON セミコンダクター)
- ディスクリート データブック; 1982; SGS (現 STMicroelectronics)
- 半導体データブック; 1965; モトローラ (現 ON セミコンダクター)
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、ダイオードに関連するメディアがあります。