ダイオード

name=ダイオードダイオードは整流作用を持つ電子素子である。最初のダイオードは2極真空管で、後に半導体素子である半導体ダイオードが開発された。その後も研究が進み、今日では非常に様々な種類のダイオードが存在する。

1. 語源
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1919年、イギリスの物理学者ウィリアム・エクルズが、2極真空管のことを指して、ギリシア語の//di//と 英語の//electrode//の語尾を合わせて造語した。

2. 歴史
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1900年代初頭、熱電子によるダイオードと固体によるダイオードは、無線受信機の復調用として同時期に個別に開発された。

1950年代は真空管ダイオードがラジオに最も多く使われた。これは初期の点接触半導体ダイオードが信頼性に劣り、また、多くの受信機には増幅用真空管が使われ、この真空管内にダイオード部を混成させることが容易であることと、真空管整流器およびガス入り整流器は高電圧・大電流用途に対し同時期の半導体ダイオードよりも適していたことがあげられる。

2.1. 真空管ダイオード
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1873年、フレドリック・ガスリーが、熱電子によるダイオード作用の基本原理を発見した。 ガスリーは、正電荷が帯電した検電器が、接地された高温の金属に非接触の状態で近づけたときに放電することを発見したのである。 また、負電荷が帯電した検電器では現象が起きなかったことから、電流は一方向にしか流れないことを示していた。

1880年2月13日、トーマス・エジソンはこの原理を単独で再発見した。 そのとき、エジソンは彼の作った電球の炭素フィラメントの正極端子側の近くだけがいつも燃え尽きることを調査していた。 彼はガラス管の内側を金属で覆った電球を作成して確認すると、伸ばしたフィラメントから真空部分を介して金属部分へ見えない電流が流れており、それは金属部分に正電極を接続したときだけ起きた。 エジソンは、フィラメントの代わりに直流電圧計を負荷にした改造電球で回路を工夫した。またこの発明を1884年に申請した。 このときにはまだ具体的な応用のなかったこの簡素な発明が後の時代にもたらした影響は大きく、のちにエジソン効果と呼ばれることになった。

約20年後、ジョン・アンブローズ・フレミングは、エジソン効果を使ってより精度の高い無線検波器を実現した。

フレミングは最初の熱電子を用いたダイオードの発明者となり、イギリスにおいて1904年11月16日に特許となった。 ファイル:Vacuum diode.svg|図2:真空管ダイオードの、電気用図記号。上から順にアノード、カソード、ヒーターフィラメント ファイル:Diode-english-text.svg|真空管ダイオードの構造

2.2. 半導体ダイオード
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1874年、ドイツの科学者カール・フェルディナンド・ブラウンは「単方向導電性」を有する鉱石を発見し、1899年に鉱石整流器の特許を取った。1930年代になって、酸化銅とセレニウムによる整流器が電力用途用として開発された。

1894年、インドの科学者ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースは初めて鉱石をラジオの検波器として用いた。

この鉱石検波器は、のちにシリコン結晶を用いた検波器を開発したグリーンリーフ・ホイッティア・ピカードによって無線電信に実用化された。

他にも様々な材料が試され、最も広く使われたものは方鉛鉱であった。

それ以外の材料でも良い特性が得られたが、方鉛鉱は安価で入手性が良いことから最も用いられた。鉱石検波器には機械的に固定されたものもあったが、もっぱら探り針により具合の良い場所を毎度捜して使うなど面倒が多いという欠点により1920年代には真空管に一般的には取って替わられた。

のちに、1940年代後半の点接触型トランジスタの発見以降に進歩した半導体理論・技術・工学により安定したPN接合による半導体ダイオードが作られるようになると、また半導体に主役が戻ったが、鉱石検波器の原理であるショットキー接合の活用は研究中であり、2015年現在もラジオの検波用には点接触のいわゆるゲルマニウムダイオードが使われている。ベル研究所もゲルマニウムダイオードをマイクロ波受信用として開発しており、1940年代後期にはAT&Tがそれを用いて国家間のマイクロ波通信を開始し、移動体電話やテレビネットワークの信号受信に用いた。これは周波数特性の点で当時の真空管よりも鉱石のほうが優れていたためである。

3. ダイオードの整流作用
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ダイオードは、アノードおよびカソードの二つの端子を持ち、電流を一方向にしか流さない。すなわち、アノードからカソードへは電流を流すが、カソードからアノードへはほとんど流さない。このような作用を整流作用という。真空管では、電極間に印加する電圧によって、カソードからの熱電子がアノードに到達するかが分かれることで整流作用が生じる。半導体ダイオードでは、p型とn型の半導体が接合されたpn接合や、半導体と金属が接合されたショットキー接合などが示す整流作用が用いられる。pn接合型ダイオードにおいては、p型側がアノード、n型側がカソードとなる。

4. ダイオードの基本動作
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ここでは半導体ダイオードの動作について、基本的なpn接合ダイオードを例に取って簡単にその特性を述べる。2極真空管については、真空管の項を参照されたい。

4.1. 基本構造と熱平衡状態
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pn接合ダイオードは、n型半導体とp型半導体が滑らかに繋がった構造をしている。pn接合部ではお互いの電子と正孔が打ち消し合い、これら多数キャリアの不足した空乏層が形成される。この空乏層内は、n型側は正に帯電し、p型側は負に帯電している。このため内部に電界が発生し、空乏層の両端では電位差が生じる。ただしそれと釣り合うように内部でキャリアが再結合しようとするので、この状態では両端の電圧は0である。

4.2. 整流動作
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4.2.1. 順バイアス
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ダイオードのアノード側に正電圧、カソード側に負電圧を印加することを順バイアスをかけると言う。これはn型半導体に電子、p型半導体に正孔を注入することになる。これら多数キャリアが過剰となるために空乏層は縮小・消滅し、キャリアは接合部付近で次々に結びついて消滅する。全体でみると、これは電子がカソードからアノード側に流れることになる。この領域では、電流はバイアス電圧の増加に伴って急激に増加する。また電子と正孔の再結合に伴い、これらの持っていたエネルギーが熱として放出される。また、順方向に電流を流すのに必要な電圧を順方向電圧降下と呼ぶ。

4.2.2. 逆バイアス
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アノード側に負電圧を印加することを逆バイアスをかけると言う。この場合、n型領域に正孔、p型領域に電子を注入することになるので、それぞれの領域において多数キャリアが不足する。すると接合部付近の空乏層がさらに大きくなり、内部の電界も強くなるため、拡散電位が大きくなる。この拡散電位が外部から印加された電圧を打ち消すように働くため、逆方向には電流が流れにくくなる。より詳しくは、pn接合の項を参照のこと。

実際の素子では、逆バイアス状態でもごくわずかに逆方向電流が流れる。さらに逆方向バイアスを増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象が始まる電圧を降伏電圧またはブレークダウン電圧と言い、降伏によって急激に逆方向電流が増加している領域を降伏領域と言う。この降伏領域では電流の変化に比して電圧の変化が小さくなるので、この領域での動作特性を積極的に定電圧源として利用するのが定電圧ダイオードである。

5. ダイオードの種類
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5.1. 特性による分類
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PNダイオード  半導体のpn接合の整流性を利用する、基本的な半導体ダイオードである。 定電圧ダイオード