ダイオードとは何ですか？
一般に、すべての電子機器はDC電源を必要としますが、DC電力を生成することは不可能であるため、DC電力を取得するための代替手段が必要です。したがって、ダイオードの使用法がAC電力をDC電力に変換するために登場します。ダイオードは、ほとんどすべての電子回路で使用される小さな電子部品であり、 一方向 にのみ電流を流すことができます（ 一方向デバイス ）。電子部品を作るための半導体材料の使用は、ダイオードから始まったと言えます。ダイオードが発明される前は、真空管がありました。これらのデバイスの両方の用途は似ていますが、真空管が占めるサイズはダイオードよりもはるかに大きくなります。真空管の構造は少し複雑で、半導体ダイオードと比較すると維持が困難です。いくつかのダイオードの用途は、電気エネルギーに整流、増幅、電子スイッチ、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、光エネルギーです。
ダイオードの歴史：
1940年にベル研究所でラッセルオールはシリコン結晶を使ってその特性を調べていました。ある日、ひびの入ったシリコン結晶が太陽光にさらされたとき、その結晶に電流が流れているのを発見し、後にダイオードと呼ばれるよう になり、半導体時代の幕開けとなりました。
ダイオードの構築：
固体材料は、一般に、導体、絶縁体、半導体の3つのタイプに分類されます。導体は自由電子の最大数を持っている一方、絶縁体は、（電流の流れが全て可能ではないことを無視できるような）自由電子の最小数を有する半導体電位に応じていずれかの導体または絶縁体がそれに適用することができます。一般的に使用されている半導体は、シリコンとゲルマニウムです。 シリコンは地球上で豊富に入手可能であり、より良い熱範囲を与えるため、シリコンが好ましい。
半導体はさらに、 内在性半導体と外因性半導体の 2つのタイプに分類され ます。
真性半導体：
これらは純粋な半導体とも呼ばれ、電荷キャリア（電子と正孔）が室温で同量になります。したがって、電流伝導は正孔と電子の両方によって等しく起こります。
外因性半導体：
材料の正孔または電子の数を増やすために、不純物（シリコンとゲルマニウム、または単に3価または5価の材料以外）がシリコンに追加される外因性半導体を使用します。純粋な半導体に不純物を加えるこのプロセスは、 ドーピング と呼ばれ ます。
P型およびN型半導体の形成：
N型半導体：
SiまたはGeに5価の元素（価電子の数が5）を追加すると、自由電子が利用可能になります。電子（負に帯電したキャリア）の数が多いため、これらは N型半導体 と呼ばれます。N型では、半導体電子が多数電荷キャリアであり、正孔が少数電荷キャリアです。
リン、ヒ素、アンチモン、ビスマスの5価の元素はほとんどありません。これらは過剰な価電子を持ち、外部の正に帯電した粒子とペアリングする準備ができているため、これらの元素は ドナー と呼ばれます。
P型半導体
同様に、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ガリウムなどの3価の元素をSiまたはGeに追加すると、その中の価電子の数が3つになるため、穴が作成されます。穴は電子を受け入れて対になる準備ができているので、 アクセプター と呼ばれます。新しく形成された材料では穴の数が 多 すぎるため、これらは P型半導体 と呼ばれます。Pタイプの半導体では、正孔は多数電荷キャリアであり、電子は少数電荷キャリアです。
PN接合ダイオード：
ここで、2種類の半導体P型とN型を結合すると、PN接合ダイオードと呼ばれる新しいデバイスが形成されます。P型とN型の材料の間に接合が形成されるため、PN接合と呼ばれます。
ダイオードという言葉は、「Di」は2を意味し、「ode」は電極から得られると説明できます。新しく形成されたコンポーネントは、2つの端子または電極（一方はPタイプに接続され、もう一方はNタイプに接続される）を持つことができるため、ダイオードまたはPN接合ダイオードまたは半導体ダイオードと呼ばれます。
P型材料に接続された端子は アノード と呼ばれ、N型材料に接続された端子は カソード と呼ばれます。
ダイオードの記号表現は次のとおりです。
矢印は、ダイオードが順方向バイアスモードのときの電流の流れを示し、矢印の先端のダッシュまたはブロックは、反対方向からの電流の遮断を示します。
PN接合理論：
PおよびN半導体でダイオードがどのように作られるかを見てきましたが、一方向にのみ電流を流すという独自の特性を形成するために、ダイオードの内部で何が起こるか、そして最初はその接合部の正確な接触点で何が起こるかを知る必要があります。
ジャンクション形成：
最初に、両方の材料が（外部電圧が印加されていない状態で）結合されると、N型の過剰な電子とP型の過剰な正孔が互いに引き付けられ、再結合して不動イオン（ドナーイオン）が形成されます。およびアクセプターイオン）は、下の図に示すように発生します。これらの不動イオンは、2つの材料間のバリアとして機能する電子または正孔の流れに抵抗します（バリアの形成は、不動イオンがP領域とN領域に拡散することを意味します）。現在形成されている障壁は、 空乏領域 と呼ばれ ます 。この場合の空乏領域の幅は、材料のドーピング濃度に依存します。
ドーピング濃度が両方の材料で等しい場合、不動イオンはP材料とN材料の両方に等しく拡散します。
ドーピング濃度が互いに異なる場合はどうなりますか？
さて、ドーピングが異なると、空乏領域の幅も異なります。 その拡散は、低濃度にドープされた領域に多くなり、高濃度にドープされた領域には少なくなり ます。
次に、適切な電圧が印加されたときのダイオードの動作を見てみましょう。
順方向バイアスのダイオード
構造は似ていますが、使用する材料の種類が異なるダイオードがいくつかあります。たとえば、発光ダイオードを考えると、アルミニウム、ガリウム、ヒ化物の材料でできており、励起されると光の形でエネルギーを放出します。同様に、内部容量、しきい値電圧などのダイオードの特性の変動が考慮され、特定のダイオードはそれらに基づいて設計されます。
ここでは、さまざまなタイプのダイオードとその動作、記号、および用途について説明しました。
- ツェナーダイオード
- 導いた
- レーザーダイオード
- フォトダイオード
- バラクターダイオード
- ショットキーダイオード
- トンネルダイオード
- PINダイオードなど
これらのデバイスの動作原理と構造を簡単に見てみましょう。
ツェナーダイオード：
このダイオードのP領域とN領域は、空乏領域が非常に狭くなるように高濃度にドープされています。通常のダイオードとは異なり、そのブレークダウン電圧は非常に低く、逆電圧がブレークダウン電圧以上になると、空乏領域がなくなり、逆電圧が増加しても定電圧がダイオードを通過します。したがって、ダイオードは、適切にバイアスされたときに電圧を調整し、一定の出力電圧を維持するために使用されます。ツェナーを使用して電圧を制限する一例を次に示します。
ツェナーダイオードのブレークダウンは、 ツェナーブレークダウン と呼ばれ ます。 これは、ツェナーダイオードに逆電圧が印加されると、接合部に強い電界が発生し、接合部内の共有結合を切断して大きな電流を流すことを意味します。ツェナーブレークダウンは、アバランシェブレークダウンと比較した場合、非常に低い電圧で発生します。
通常のダイオードで一般的に見られる アバランシェ 降伏と呼ばれる別のタイプの降伏があり、接合を遮断するために大量の逆電圧を必要とします。その動作原理は、ダイオードが逆バイアスされている場合、小さなリーク電流がダイオードを通過し、逆電圧がさらに増加すると、リーク電流も増加します。これは、接合部内のいくつかの共有結合を切断するのに十分な速さで、これらの新しい電荷キャリアはさらに破壊されます。残りの共有結合は、ダイオードに永久的な損傷を与える可能性のある巨大なリーク電流を引き起こします。
発光ダイオード（LED）：
その構造は単純なダイオードに似ていますが、半導体のさまざまな組み合わせを使用してさまざまな色を生成します。これは、順方向バイアスされたモードで動作します。電子正孔再結合が起こると、結果として生じる光子が放出されて発光します。順方向電圧がさらに増加すると、より多くの光子が放出され、光強度も増加しますが、電圧がしきい値を超えてはなりません。そうしないと、LEDが損傷します。
さまざまな色を生成するには、AlGaAs（アルミニウムガリウムヒ素）–赤と赤外線、GaP（ガリウムリン）–黄色と緑、InGaN（窒化インジウムガリウム）–青と紫外線のLEDなどを組み合わせて使用します。簡単なLED回路を確認してください。ここに。
IR LEDの場合、カメラを通してその光を見ることができます。
レーザーダイオード：
LASERは、誘導放出による光増幅の略です。PN接合は、ドープされたガリウム砒素の2つの層によって形成され、接合の一方の端に高反射コーティングが適用され、もう一方の端に部分反射コーティングが適用されます。ダイオードがLEDと同様に順方向にバイアスされると、光子を放出します。これらは他の原子に当たって光子が過剰に放出されます。光子が反射コーティングに当たって再び接合部に衝突すると、さらに多くの光子が放出され、このプロセスが繰り返され、高強度のビームが発生します。光は一方向にのみ放出されます。レーザーダイオードが正しく動作するには、ドライバー回路が必要です。
レーザーダイオードの記号表現は、LEDの記号表現に似ています。
フォトダイオード：
フォトダイオードでは、フォトダイオードを流れる電流はPN接合に印加される光エネルギーに依存します。逆バイアスで動作します。前に説明したように、ここでは 暗電流 と呼ばれる逆バイアスがかかると、ダイオードに小さなリーク電流が流れ ます。 電流は光の不足（暗闇）によるものなので、そう呼ばれています。このダイオードは、光が接合部に当たると、電子正孔対を破壊して電子を生成し、逆リーク電流を増加させるように構成されています。ここでは、IRLEDで動作するフォトダイオードを確認できます。
バラクターダイオード：
バリキャップ（可変コンデンサ）ダイオードとも呼ばれます。これは、逆バイアスモードで動作します。導電板と絶縁体または誘電体のコンデンサ分離の一般的な定義。通常のダイオードに逆バイアスをかけると、空乏領域が絶縁体または誘電体を表すため、空乏領域の幅が広がり、コンデンサとして機能できるようになります。逆電圧の変化により、P領域とN領域の分離が変化するため、ダイオードは可変コンデンサとして機能します。
プレート間の距離が短くなると静電容量が増加するため、逆電圧が大きいと静電容量が小さくなり、逆もまた同様です。
ショットキーダイオード：
N型半導体は、高エネルギーレベルの電子は、これらは次のように呼ばれているダイオードに存在するような金属（金、銀）に接合されている ホットキャリア このダイオードもと呼ばれるように ホットキャリアダイオード 。 少数キャリアがなく、空乏領域が存在せず、金属半導体接合が存在します。このダイオードが順方向にバイアスされると、導体として機能しますが、電荷は高いエネルギーレベルを持ち、特にデジタル回路での高速スイッチングに役立ちます。マイクロ波アプリケーションで使用されます。ここでショットキーダイオードの動作を確認してください。
トンネルダイオード：
このダイオードのP領域とN領域は高濃度にドープされているため、空乏化の存在は非常に狭くなります。発振器やマイクロ波増幅器として使用できる負性抵抗領域を示します。このダイオードを最初に順方向にバイアスすると、空乏領域が狭くなり、電子がダイオードを通過するため、電圧のわずかな変化で電流が急速に増加します。接合部の過剰な電子のために電圧がさらに増加すると、空乏領域の幅が増加し始め、順方向電圧がさらに増加すると（負性抵抗領域が形成される）順方向電流の遮断を引き起こし、通常のダイオード。
PINダイオード：
このダイオードでは、P領域とN領域が真性半導体によって分離されています。ダイオードが逆バイアスされると、一定値のコンデンサとして機能します。順方向バイアス状態では、電流によって制御される可変抵抗として機能します。これは、DC電圧によって制御されるマイクロ波アプリケーションで使用されます。
その記号表現は、通常のPNダイオードに似ています。
ダイオードの用途：
- 安定化電源： DC電圧を生成することは事実上不可能であり、利用可能なソースのタイプはAC電圧のみです。ダイオードは一方向デバイスであるため、AC電圧を脈流DCに変換するために使用でき、さらにフィルタリングセクション（コンデンサとインダクタを使用）を使用すると、おおよそのDC電圧を取得できます。
- チューナー回路：アンテナは空間で利用可能なすべての無線周波数を受信するため、受信側の通信システムでは、目的の周波数を選択する必要があります。そのため、可変コンデンサとインダクタを備えた回路に他ならないチューナー回路が使用されます。この場合、バラクタダイオードを使用できます。
- テレビ、信号機、ディスプレイボード：テレビやディスプレイボードに画像を表示するために、LEDが使用されます。LEDは消費電力が非常に少ないため、LED電球などの照明システムで広く使用されています。
- 電圧レギュレータ：ツェナーダイオードのブレークダウン電圧は非常に低いため、逆バイアス時に電圧レギュレータとして使用できます。
- 通信システムの検出器：ダイオードを使用するよく知られた検出器は、変調信号のピークを検出するために使用されるエンベロープ検出器です。