負性抵抗
ロシェフは10年のうちに研究を放棄し、この技術(ヒューゴー・ガーンズバックによって「クリストダイン」と名付けられた)は忘れられた。
最初に広く使用されるようになった固体負性抵抗デバイスは、1957年に日本人の物理学者江崎玲劣奈が発明したトンネルダイオードである。この種のダイオードは接合サイズが小さいことから寄生容量が低く、そのためより高い周波数で動作し、通常の真空管発振器の限界を超えるマイクロ波周波数で電力を発生できるものだった。トンネルダイオードの登場によりマイクロ波発振器に用いるための負性抵抗半導体デバイスが探求され始め、IMPATTダイオード、ガンダイオード、TRAPATTダイオードなどが生み出されていった。1969年、黒川兼行は負性抵抗回路の安定性に関する条件を導出した。現在マイクロ波エネルギーの発生源としては負性微分抵抗ダイオード発振器が最も広く利用されており、ここ数十年でも多くの新しい負性抵抗素子が見つかっている。
負性微分抵抗を持つ回路は非線形であり、I–V 曲線上に平衡点(直流で動作が可能な点)を複数持つことができる。平衡点において回路の極がすべてs平面の左半平面にあるならその点は安定であり、近傍から動作を始めるとそこに収束する。しかし極が虚数軸上にあるなら回路は振動し、右半平面にあるなら別の点に収束する。線形回路であれば平衡点は(安定であれ不安定であれ)ただ一つである。平衡点は直流バイアス回路によって決まり、その安定性は接続した回路の交流インピーダンス Z L ( j ω ) {\displaystyle Z_{\text{L}}(j\omega )} で決まる。ただし、電圧制御型と電流制御型の負性抵抗では特性曲線の形が異なるため安定性条件も異なる。
電流制御型(S型)負性抵抗では抵抗 R N {\displaystyle R_{\text{N}}} が一価関数である。したがって安定性は回路のインピーダンス方程式 Z L ( j ω ) + Z N ( j ω ) = 0 {\displaystyle Z_{\text{L}}(j\omega )+Z_{\text{N}}(j\omega )=0} の極によって決まる。
非リアクタンス性の回路の場合( X L = X N = 0 {\displaystyle X_{\text{L}}=X_{\text{N}}=0} )、総抵抗が正であることが安定性の十分条件となる。
紛らわしいことに、一部の著者は この種の負性抵抗を増幅機能の存在から「能動」素子と呼んでいる。ユニジャンクショントランジスタなど、3端子素子の中にもこのカテゴリに含まれるものがある。詳しくは負性微分抵抗節で解説する。
能動的な負性微分抵抗素子(前掲の図4)端子に正電圧を印加すると(ある動作範囲で)それに比例する「負の電流」が発生するもの。回路設計によって実現できる。前項の受動素子とは異なり、I–V 曲線は原点を通過する部分が右下がりであるため I–V 平面の第2象限と第4象限にも伸びている。これは素子が電力を生成していることを表している。トランジスタや正帰還を備えたオペアンプのような増幅素子はこのタイプの負性抵抗を持つことができ、フィードバック発振器やアクティブフィルタに利用される。これらの回路はポートから正味の電力を生み出すため、内部に直流電源を備えるか、別に外部電源に接続する必要がある。回路理論では「能動抵抗」と呼ばれる。受動負性抵抗と区別するために「線形 (linear) 負性抵抗」、「絶対 (absolute) 負性抵抗」、「理想 (ideal) 負性抵抗」、「純粋 (pure) 負性抵抗」 と呼ばれることがあるが、電子工学では単にポジティブフィードバックもしくは再生回路と呼ばれることが多い。詳しくは能動抵抗節で解説する。
通常の電源が「負性抵抗」と呼ばれることもある(前掲の図3)。能動素子は静的抵抗が負になるのだが(負の静的抵抗節を参照)、電池や発電機、あるいは正帰還ではない増幅器など、ほとんどの電源は直流であれ交流であれ正の微分抵抗(内部抵抗)を持つ。したがってこれらは1ポート増幅器として機能するなどの特性を持たない。
負性微分抵抗を持つ電子部品には以下が含まれる。
トンネルダイオード や共鳴トンネルダイオード などトンネル現象を利用した半導体ダイオード
ガン・ダイオード など電子遷移機構を利用したダイオード
IMPATTダイオード(英語版) やTRAPATTダイオードなど衝突電離機構を利用したダイオード
NPNトランジスタのエミッタ-コレクタ間に逆バイアスを加えたネジスタ (negistor) と呼ばれる素子
ユニジャンクショントランジスタ
サイリスタ
ダイナトロン発振器(英語版)モードで動作させた三極真空管や四極真空管
一部のマグネトロン管などのマイクロ波真空管
メーザー
パラメトリック増幅器
気体中の放電も負の微分抵抗を示す。以下のデバイスは例である。
アーク放電
サイラトロン管
ネオン灯
蛍光灯
その他の気体放電管
そのほか、トランジスタやオペアンプなどの増幅素子にフィードバックをかけることで負性微分抵抗を持つ能動回路を構成できる。近年では負の微分抵抗を持つ材料や素子が研究レベルで多数発見されている。負性抵抗を発現させる物理的プロセスは多様であり、各種の素子はそれぞれ( I–V 特性で表される)独自の特徴を持っている。