Microsoft PowerPoint - A5_diode_slide.pptx

ダイオード

1^st 2015/06/01 L^st 2020/03/22

1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

電子回路の偉人マップ

ヘルツ 1857-1894 (37)

マクスウェル 1831-1879 (48)

ファラデー 1791-1867 (76) ガウス 1777-1855 (78)

クーロン 1736-1806 (70) フーリエ 1768-1830 (62)

ゴーラール1850-1888 (38) フレミング 1849-1945 (96)

ボルタ 1745-1827 (82)

ミリカン 1868-1953 (85)

ヘンリ― 1797-1878 (81) ジュール 1818-1889 (71)

ブラッテン 1902-1987 (85) フォレスト 1873-1961 (88)

エジソン 1847-1931 (84)

オーム 1789-1854 (65)

ブラーティ 1860-1939 (79)

フォン・ノイマン 1903-1957 (54)

キルヒホッフ 1824-1887 (63)

ワット 1736-1819 (83)

アンペア 1775-1836 (61)

※ 智慧はバトンリレーのように繋がって行く・・・

バーディーン 1908-1991 (83) ショックレー 1910-1989 (79) チューリング 1912-1954 (42)

シャノン 1916-2001 (85)

二極管 エジソン効果（整流作用）

変圧器 変圧器

三極管 トランジスタ

トランジスタ トランジスタ

計算機 計算機 情報・暗号

EIR

オームの法則

PVI

電力の法則

ジュールの法則

PRI2

i 0

i

I 



i i j

i j

Z I  V

 

キルヒホッフの第1法則

キルヒホッフの第2法則

電流の連続に関する法則 Kirchhoff Current Law (K. C. L）

電圧の平衡に関する法則 Kirchhoff Voltage Law (K. V. L)

C Q

V L I

 R l

S



トムソン 1856-1940 (84) 電子

周期表１

³

http://www.ptable.com/?lang=ja

周期表２

⁴

森本幸司 「新元素“ニホニウム”はいかにして発見されたのか」 第34回物理教育研究大会 特別講演，

2017. より

1. 92番のウランまでは自然界に存在する。

2. 93番から118番までは人工合成元素である。

3. 172番までは理論的にこの世（3次元の宇宙空 間）で存在できるという論文がある。

4. 126番あたりに年単位で安定して存在する元素

（安定の島と呼ぶ）があると言われている。

周期表から見た半導体材料

1. 価電子4個のIV族元素であるGeは結晶がやわらかくて加工 しやすいが、電気的な特性が今ひとつ。

2. たとえば、Siは0.6-0.7Vあたりで急峻な特性を有するが、Ge は0.2Vあたりから除々に流れる穏やかな特性を有する。

3. 理想的な特性を有するIV族のCは硬すぎて加工が難しい。

4. SiにCを混ぜたSiC（シリコンカーバイト）は高性能な次世代半 導体のホープと呼ばれている。

5. ＩＩＩ族のGaとV族のNを組み合わせたGaN（ガリウムナイトライ ド）はSiCと同じく超高性能半導体として注目されている。

VF[V]

IF[mA]

1.0 2.0 10

20

-10

-20 IR[μA]

VR[V]

-1.0 -2.0

10D1 1N60

超高性能パワー制御弾「GaN」&「SiC」誕生，トランジスタ技術，p.64, 2017-9, CQ出版

Ge

Ge

Ge Ge Ge

Ge結晶

Si

Si

Si Si Si

Si結晶

V_F[V]

I_F[mA]

I_R[μA]

V_R[V]

-V_ZK

シリコン

（整流）

ゲルマニウム

（検波）

（ツェナー）

0.3 0.7

Reverse region

Forward region Break

down region

半導体材料の特性の違い

空乏層で共有結合していた電子が剥ぎ取られて、突然電流が流れ出す。文字通り、Si原子核 から安定して離れまいとしていた電子が電界の強さに負けて（降伏して）離れる。

福田，田中，図解雑学電子回路，p.79, ナツメ社

電子回路によく出てくる元素

⁷

Si

14 28.085Si

P

15 30.974P

Ge

32

72.630Ge _74.922³³As

Ga As

31 69.723Ga

In

49 114.82In

N

7 14.007N

O

8 15.999O

Ag

47 107.87Ag

Cu

29 63.546Cu

Spring-8 元素周期表

半導体結晶

⁸

福田，田中，図解雑学電子回路，p.64, p.94, ナツメ社 Si純度：99.999999999% （イレブンナイン）

Siインゴット（塊）1kgを作るのに13,000 kWhの電力量が必要。これは一 般家庭5,000軒分の消費電力に相当する。100万kW原子炉を一日使っ ても2トンしか作れない。まさに血と汗と涙の結晶。

http://www.tel.co.jp/museum/magazine/material/150430_report04_03/02.html http://beep.blog.jp/archives/1054560174.html

原料は北欧と南米から輸入（純度98%）

シリコン結晶の作製に必要な電力量

地球上に豊富に存在する二酸化ケイ素 (SiO₂) はとても強い力で結び ついており，ここからSiだけを結晶化して取り出すには非常に大きなエ ネルギーを必要とする。例えば，半導体基板のもとになるSi単結晶（純 度99.9999999999%のシリコンインゴット）1 kgを作るのに13,000 kWhもの 電力量が必要となる。これは一般家庭4000軒の一日の消費電力量に 相当する。100万kW級の原子力発電所を一日動かしても，わずか2tし かつくれない。

図解版電気学ポケットブック，p.27, オーム社

不純物の混入

福田，田中，図解雑学電子回路，p.66, ナツメ社

味噌汁にはだしを入 れないと・・・

りん（P）, ヒ素（As）, アンチモン（Sb）, ホウ素（B）, ガリ ウム（Ga）, インジウム（In）

n型半導体（2次元モデル）

¹¹

ドナー不純物の割合：Si原子14万個に対して1つの割合

Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si As Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

大熊，図解で分かるはじめての電子回路，p.32, 技術評論社 末武，プログラム学習による半導体回路I，p.16, 廣済堂出版

Si純度：99.999999999% （イレブンナイン）

p型半導体（2次元モデル）

¹²

アクセプタ不純物の割合：Si原子14万個に対して1つの割合

大熊，図解で分かるはじめての電子回路，p.32, 技術評論社 末武，プログラム学習による半導体回路I，p.16, 廣済堂出版

Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si In Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

Si

Si純度：99.999999999% （イレブンナイン）

ダイオードの分類

ダイオード

一般用ダイオード（スイッチング、検波）

低電圧ダイオード

ショットキー・バリア・ダイオード 可変容量ダイオード

PINダイオード 整流ダイオード その他

改訂新版ダイオード/トランジスタ/FET活用入門, トランジスタ技術Special No.88, p.12, CQ出版社

ダイオードの名称

改訂新版ダイオード/トランジスタ/FET活用入門, トランジスタ技術Special No.88, p.14, CQ出版社

記号 ダイオード個別名称

1 E x x x エサキダイオード or トンネルダイオード 2 G x x x Gunnダイオード

3 S x x x 一般用ダイオード，検波用ダイオード，可変容量ダイ オード，UHF/マイクロ波用ダイオード，スイッチング ダイオード，パルス発生ダイオード，スナップオフダイ オード，ショットキー・バリア・ダイオード

4 T x x x なだれ走行 or アバランシェダイオード

5 V x x x 可変容量ダイオード，PINダイオード，スナップオフダ イオード

6 R x x x 整流用ダイオード

7 Z x x x 定電圧 or ツェナーダイオード

※ 共通の`` ’’は接合の数（PN接合が1つ），`` ’’は semiconductor を示す

15

改訂新版ダイオード/トランジスタ/FET活用入門, トランジスタ技術Special No.88, p.16, 34, , CQ出版社

名称 用途

1 小信号

・汎用

扱う電流が数十mA以下（ピーク電流で数百mA以下）の用途に使うダ イオード。シリコンダイオードで約0.6V、ショットキー・バリアダイオード で約0.3Vという小さな順方向電圧を利用する。

2 パワー ダイオード

小信号用ダイオードに比べて扱う電力が大きく、0.5 A程度以上の大 電流（小信号の10倍以上）を整流する目的で使用する。一般整流用ダ イオード、高速整流用ダイオード、ショットキー・バリア・ダイオードの3 種類に分類できる。

3 定電圧 ダイオード

別名ツェナー・ダイオードと呼ばれ、逆方向の急峻かつ安定したブ レークダウン特性を積極的に利用する。定電圧回路によく使われる。

4 定電流 ダイオード

Regulator Diode (CRD)と呼ばれ、一定の電流を供給する。

5 発光 ダイオード

Light Emitting Diode (LED) と呼ばれ、PN接合部で少数キャリアの再 結合によって光を放出する。

6 高周波 ダイオード

PINダイオード、可変容量ダイオード（バラクタ、バリキャップ）、ショット キー・バリア・ダイオード、IMPATTダイオード、Gunnダイオード、ステッ プ・リカバリ・ダイオードに分類できる。一般に3 MHz以上が高周波。

ダイオードの分類

2S B 56 A 2S A 278 2S C 372 1N 60

トランジスタ

NPN高周波用

ダイオード

RD 19 A ツェナーダイオード

2S D 828 NPN低周波用

トランジスタ・ダイオードの命名法

伊藤，トランジスターのきほん，p. 77, 誠文堂新光社，2008

A: PNP型高周波用 B：PNP型低周波用 C：NPN型高周波用 D: NPN型低周波用 2S: トランジスタ 1： ダイオード

RD： ツェナーダイオード

B

E C

B

E C

数字は接合面の数を 表す。トランジスタは 接合面が2個ある。ダ イオードは接合面が1 個なので1になる。

丹波，改訂新版 トランジスター，p. 35, 誠文堂新光社，2000

PNP低周波用JIS登録番号改良記号 PNP高周波用JIS登録番号

JIS-828 JIS登録番号 トランジスタ

トランジスタ トランジスタ

接続と接合の違い

丹波，改訂新版 トランジスター，p. 33, 誠文堂新光社，2000

P形とN形を別々に作り、この二つを接触させて接続しても何 も起こらない。

一つの真性半導体の棒の中に不純物をうまく入れてP形の 部分とN形の部分を作ると、接合と呼ばれる状態になり、拡 散が起きて空乏層が形成され、ダイオード特性が得られるよ うになる。

p-type silicon

n-type silicon p-type

silicon

n-type silicon

接続 接合

（中央に拡散領域）

0

np 0

pp 熱平衡 ホール濃度

熱平衡 電子濃度

p-type silicon

0

pn p0

n

xn

xp

 x

 

p p

n x pn xn n, p

p n

Depletion region n-type silicon

0

nn 熱平衡 電子濃度

0

pn 熱平衡 ホール濃度

 

pn x

 

np x

ホール濃度 [個/cm³]

拡散電流密度 [A/cm²]

電流 [A]

拡散長 [cm]

 

    ^{  }



 

   

00 0

T n p

V V

n n n

x x L

n n n n n

p x p e

p x p p x p e







 

 



D i f f u s i o n l e n g t h e x c e s s m i n o r i t y c a r r i e r l i f e t i m e

d i f f u s i o n c o n s t a n t f o r h o l e s i n n - s i l i c o n

p p p

p

p

L D

D

 

 

    

    

00 1 @

1 @

T

T

V V

p

p p n n

p

V V

n

n n p p

n

d p D

J q D q p e x x

d x L

D

J q D d n q n e x x

d x L

  ^{ }   

        



   

  

   

  

0 0

- 2 3

- 1 9

1 1

2 5 m V @ 2 0 C 1 . 3 8 1 0 J / K [ K ] 2 7 3 [ C ]

1 . 6 0p n1 0 C n p V VT q V k T

p n S

p n

S

T

q D p q D n

I A J J A e I e

L L

I

V k T q

k T q ただし、

　 飽和電流

　 熱電圧

　 ボルツマン定数

　 絶対温度 温度

　 電子の電荷

濃度 [個/cm ³ ] の表記方法

 





   

  

   

  

 

- 2 3

- 1 9

- 1

2 5 m V @ 2 0 C 1 . 3 8 1 0 J / K [ K ] 2 7 3 [ C ]

1 . 6 0 1 0 C

1 o r 2

Tv n V S

S

T

i I e

I

V k T q

k T q n ただし、

　 飽和電流

　 熱電圧

　 ボルツマン定数

　 絶対温度 温度

　 電子の電荷

　 ダイオードの材質、物理的構造で決まる定数　 　（通常は1）

濃度 [個/cm ³ ] の表記方法

0

nn

0

pn 0

np 0

pp

熱平衡 電子濃度 多数

キャリア

（不純物）

少数 キャリア

（熱振動）

熱平衡 ホール濃度

熱平衡 ホール濃度 熱平衡

電子濃度 p-type silicon

n-type silicon

2

0 0

n n i

n p n

2 3 E_G kT

ni BT e^

31

5

1.12 eV 5.4 10

8.62 10 eV/K

i G

n E B

k ^



 

  

  



真性シリコンの電子濃度（=ホール濃度）

2 2

0 0

i i

n

n D

n n

p n N

2 2

0 0

i i

p

p A

n n

n  p  N

0

p A

p N

0

p D

n N

不純物アクセプタ 原子濃度

不純物ドナー 原子濃度

ダイオードで使われる記号

V_RSM: 非繰り返し尖頭逆方向電圧 逆方向に加えることのできる最大電圧 V_RRSM: 尖頭逆方向電圧

V_RSMと違い、繰り返しの状態を許容 V_RM: 逆方向電圧

連続的に直流電圧が加えられた場合の最大許容値。 V_RSMと違い繰り返しの状態許容 I_F: 順方向電流

順方向特性の立ち上がりの良さを示す。規定の順方向電圧V_Fを加えたときに流れる電流 I_R: 逆方向電流

逆方向特性を表すもので、ある逆方向電圧V_Rをかけたときに流れる逆方向電流の値 I_FSM: サージ電流

繰り返しではなく、過渡的（一時的）に順方向に流すことのできる最大電流 I_FM: 尖頭順方向電流

順方向に流すことのできる電流の最大値。I_FSMと違い、繰り返しの状態を許容 I_O: 整流電流

抵抗負荷の半波整流回路で取り出すことのできる平均整流電流の最大値 T_a : 周囲温度

T_j: 接合部温度 C_t: 端子間容量

温度限界

福田，田中，図解雑学電子回路，p.84, ナツメ社

Ge 75度 Se 80度 Si 105度

煮え立つと、共有結合していた電子が勝手に動き始める。

エネルギーバンド

²³

新電気編集部，エレクトロニクス入門早分かり，p. 8, 15, 17, オーム社

エネルギー準位 エネルギー準位 エネルギー準位

良導体 半導体 絶縁体

電子が結晶中 を自由に移動 可能

充満帯と空乏帯 のエネルギー幅 が狭い 約1 eV

充満帯と空乏帯 のエネルギー幅 が広い 4-5 eV

充満帯 充満帯 伝道帯 空欠帯

充満帯 充満帯 空欠帯

充満帯 充満帯 空欠帯

コッククロフト回路

²⁴

新電気編集部，エレクトロニクス入門早分かり，p. 25, オーム社

2倍電圧整流回路（半波）

E R

+

- D1

D2 C1

E R C2

+

-

D1

D2

C1

C2

2倍電圧整流回路（全波）

n倍電圧整流回路（コッククロフト回路）

E R

+

- D1

C1

C2 C4 C6 C8

C3 C5 C7

…

…

2E 4E

6E

ツェナーダイオード

大熊，図解で分かるはじめての電子回路，p.52, 技術評論社

BATTERY

＋

BATTERY

＋

BATTERY

＋

BATTERY

＋

E[V]

E[V]

r[ ]

r[ ]

E[V]

[V]

E r[ ]

r[ ]

[A]

I

3 [A]I

2 2

V E Ir

2 6

V  E Ir

BATTERY

＋

BATTERY

[V] ＋

E

E[V]

r[ ]

r[ ]

3 [A]I

V VZ

IZ

ツェナーダイオード

新電気編集部，エレクトロニクス入門早分かり，p. 27, オーム社 Vmin

R

電源電圧が低い限界のとき

I_Z＝０ V_Z＝６

RZ

I₁

I0

min 0

Z Z

V V

R I

 

10 6 40

Z 0.1

R    

Vmax

R

電源電圧が上限のとき

IZ＝０ V_Z＝６

R_Z I1

I0

max 0

0.167

Z Z

V V

R I

  

min 0

10 V 100 mA V

I





max

max

6 V 1W

1 167 mA 6

Z Z

Z Z

Z

V P I P

V





  

max

40 0.167 6 12.68

Z Z Z

V R I V

   

10-12.6Vの範囲で出力電圧一定

ダイオードの近似法

理想ダオード (ideal diode)

2次近似 (second approximation) 3次近似 (third approximation)

理想ダイオード (ideal diode)

[V]

V [A]

I

0

2次近似 (second approximation)

[V]

V [A]

I

0.7 0

VD 0

VD

rD

ideal diode

3次近似 (third approximation)

ダイオードの近似法１

理想ダイオード (ideal diode)

[V]

V [A]

I

0

ダイオードを流れる最大電流はいくらか。

ただし、ダイオードは理想的であるものとする。

また、ダイオードに加わる逆方向電圧の最大値はいくらか。

末武，プログラム学習による半導体回路I，p.73, 廣済堂出版

max 24 12 12 VR   

max max

12 0.12 A 100

R D

I V

 R  

R

0 12 V 24 V_P

max 24 12 36 V VD     

ダイオードの近似法２

2次近似 (second approximation)

[V]

V [A]

I

0.7 0

I=0.5 mAとするには，Rの値を幾らにすればよいか。

ただし、ダイオードでの電圧降下は0.7 Vとする。

末武，プログラム学習による半導体回路I，p.73, 廣済堂出版

0.5 mA I 

10.7 V

V  R

10.7 0.7 10 VR   

3

10 20 kΩ 0.5 10

VR

R I  ^ 



ダイオードの近似法３

3次近似 (third approximation)

[V]

V [A]

I

0

R=1 kΩ, r_D=20 Ω，V_DD=5 V, V_D0=0.65 Vである。ダイオー ドを流れる電流I_Dはいくらか。また、出力端子電圧V_Dはいく らか。ただし、ダイオードは理想的であるものとする。

Sedra Smith, p.160

0 5 0.65 4.35

4.26 mA 1 0.02 1.02

DD D

D

D

V V

I R r

 

   

 

ID

VDD

R

VD 0

VD

rD

3

0 0.65 4.26 10 20 0.735 V

D D D D

V V I r    ^  

電流制限抵抗値の決定

3

6 2.2 20 mA 20 10 190 E VD

R V

I ^

 

    



E

R =?

(A) (K)

I

20 mA

2.2 V

V

LED 赤 V_F=2.2 V I_F=20 mA の場合

V

_D

6 V

（乾電池4本）

3

6 2.2 10 mA 10 10 380

E VD

R V

I ^

 

    



①消費電力を抑えたい場合、仮に電流を半分にしてみる。

②100Ωの抵抗がたまたまあったので200Ωに決定。よって、

6 2.2

19 mA 200 200

E VD

I V R

 

   

が流れる電流の目安。

計算例

31