ダイオードの装置と動作原理

ダイオードは、今日の電子機器のプリント基板に搭載されている最も単純な半導体デバイスです。ダイオードは、内部構造と技術的特性に応じて、ユニバーサル、整流、パルス、ツェナー ダイオード、トンネル ダイオード、バリキャップなどのいくつかのタイプに分類されます。整流、電圧制限、検出、変調などに使用されます。 — 使用されるデバイスの目的に応じて異なります。

ダイオードのベースは、 P-N ジャンクション2 つの異なるタイプの導電性を持つ半導体材料で形成されます。ダイオード結晶には、カソード (負極) とアノード (正極) と呼ばれる 2 本のワイヤが接続されています。アノード側にはｐ型半導体領域があり、カソード側にはｎ型半導体領域がある。このダイオード デバイスには、電流がアノードからカソードへの一方向 (順方向) にのみ流れるというユニークな特性が与えられます。逆に、正常に動作しているダイオードは電流を流しません。

アノード領域 (p 型) では、主な電荷キャリアは正に帯電した正孔であり、カソード領域 (n 型) では負に帯電した電子です。ダイオードのリード線は、ワイヤがはんだ付けされる接触金属面です。

ダイオードが順方向に電流を流すとき、それはオープン状態であることを意味します。電流が pn 接合を通過しない場合、ダイオードは閉じます。したがって、ダイオードは、オープンまたはクローズの 2 つの安定状態のいずれかになります。

DC 電圧源回路にダイオードを接続し、アノードを正端子に、カソードを負端子に接続することにより、pn 接合の順バイアスが得られます。そして、電源電圧が十分であることが判明すると (シリコン ダイオードには 0.7 ボルトで十分です)、ダイオードが開き、電流が流れ始めます。この電流の大きさは、印加電圧の大きさとダイオードの内部抵抗によって決まります。

なぜダイオードが導通状態になったのでしょうか?ダイオードが正しくオンになると、電源の起電力の作用を受けて、n 領域からの電子がその正極に流れ込み、p 領域からの正孔が負極に移動するためです。ソースから電子まで。

このとき、領域の境界 (pn 接合自体) で電子と正孔の再結合、つまり相互吸収が発生します。そして、ソースは新しい電子と正孔を p-n 接合領域に継続的に供給することを強制され、それらの濃度が増加します。

しかし、ダイオードが逆で、カソードがソースのプラス端子に、アノードがマイナス端子に接続されている場合はどうなるでしょうか?正孔と電子は接合部から端子に向かってさまざまな方向に散乱し、電荷キャリアが枯渇した領域 (ポテンシャル障壁) が接合部付近に現れます。ほとんどの電荷キャリア (電子と正孔) によって引き起こされる電流はまったく発生しません。

しかし、ダイオード結晶は完璧ではありません。主要な電荷キャリアに加えて、マイクロアンペア単位で測定される非常に無視できるダイオード逆電流を生成する少量の電荷キャリアも含まれています。しかし、この状態のダイオードは、その p-n 接合が逆バイアスされているため閉じています。

ダイオードが閉状態から開状態に切り替わる電圧は、ダイオード順電圧と呼ばれます（—を参照） ダイオードの基本パラメータ)、これは本質的に p-n 接合での電圧降下であり、順方向電流に対するダイオードの抵抗は一定ではなく、ダイオードを流れる電流の大きさに依存し、数オーム程度になります。ダイオードがオフになる逆極性の電圧をダイオード逆電圧といいます。この状態でのダイオードの逆抵抗は、数千オームで測定されます。

明らかに、ダイオードは、それに印加される電圧の極性が変化すると、開状態から閉状態に切り替わったり、その逆に切り替わったりすることがあります。整流器の動作はダイオードのこの特性に基づいています。したがって、正弦波 AC 回路では、ダイオードは正の半波の間のみ電流を流し、負の半波の間はブロックされます。

このトピックについては、以下も参照してください。パルスダイオードと整流器の違いは何ですか