半導体、ダイオードのお悩み解決

ダイオードは高校の授業では時間の関係で省略されることもあり、ウイークポイントである場合も多いようです。

しかし、入試においてダイオードが出題されないか?というとそんなことはなく、しばしば出題される単元でもあります。
で、そのときに大慌て・後悔してしまうのです。(やっときゃよかった・・・)

この記事ではそんなダイオードの基礎について理解できるよう丁寧に解説していきます。これでダイオードに対策はバッチリです。

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半導体、ダイオードのお悩み解決

まずダイオードを構成する半導体について学習していきましょう。
世の中には電気に関して、大きく分けて3つの物質があります。
導体・絶縁体・半導体です。

半導体とは

半導体は現代文明を支えると言っても過言ではないくらい重要な物質です。
この記事を書いているPCも、あなたのスマートフォンも、テレビも・・全てが半導体なしでは成り立たないのです。

真性半導体

ケイ素・ゲルマニウムは低温よりは温度が高いほうが電気伝導率があがり、電気を通すようになります。
このような性質を持つものを真性半導体と呼びます。

不純物半導体

不純物半導体とはケイ素やゲルマニウムに微量の P(リン)や Al (アルミニウム)などの不純物を入れたものです。
このようにすることで電気を通しやすくしています。

不純物半導体は以下に述べるように、n型半導体p型半導体があります。

n型半導体

$_{14}Si$ (ケイ素)の価電子数は 4 です。
その中に価電子数が5の $_{15}P$ を微量混ぜます。 

そうすると、図のように大部分は $Si$ が結合して安定しているのですが、$P$ が結合した場合はちょっと様子が違ってきます。

それは、図のように価電子が5である $P$ の電子が1つ余ってしまうのですね。
このとき、この余った電子が自由電子として振る舞い、電流の担い手になるのです。

この電流の担い手を「キャリア」と呼びます。
この n型半導体のキャリアは電子です。

n型半導体は価電子数が4の $Si$、$Ge$ に価電子数5の $P$、$Sb$ などの不純物を微量入れて作ります。 

p型半導体

$_{14}Si$ (ケイ素)の価電数は 4 です。
その中に価電子数が3の $_{13}Al$ を微量混ぜます。 

そうすると、図のように価電子が3である $Al$ では $Si$ と結合するには電子が1つ足りません。
このとき、この足りない箇所が正電荷のように振る舞います。これをホール(正孔)と呼びます。

今、電子が足りない箇所へ他から電子が移動するとその移動した電子の箇所が代わりにホールになります。そうすることで、この結晶内では電子が移動、すなわち電流が流れるようになります。

このときホール(正孔)はまるで $+$ の粒子のように振る舞います。

この p型半導体のキャリアはホールです。

p型半導体は価電子数が4の $Si$、$Ge$ に価電子数3の $Al$、$In$ などの不純物を微量入れて作ります。 

半導体ダイオードとは

これまで学習してきた n型半導体とp型半導体を接合したもの(pn接合)を半導体ダイオードと呼んでいます。

ダイオードの記号は図にあるように、三角と縦線で示します。


図のように覚えればいいでしょう。
また、2つの半導体が接合している面を接合面といいます。

整流作用

このダイオードの重要な性質として「整流作用」があげられます。
理想的なダイオードは、図のように p → n の方向にだけ(順方向)電流を流し、逆の n → p の方向(逆方向)には電流を流しません。

順方向

  1. ホールは $+$ 、自由電子は $-$ として振る舞います。
  2. そのため、ホールと自由電子がともに接合面に向かって移動していきます。
  3. 接合面までやってきたホールと自由電子は接合面で合体消滅します。これを再結合といいます。

ホールや自由電子は再結合して
なくなってしまうような気がしますが?

電池はp型半導体から自由電子を奪いn型半導体に届ける役割をしています。
そのため、p型半導体にはホールが、n型半導体には自由電子が供給され続けます。
したがって、このように電池を接続すると定常的に電流が流れ続けることになります。


逆方向

電池はn型半導体から自由電子を奪ってp型半導体に届けようとします。
しかし、この状態では接合面では電子とホールの供給ができなくなります。

したがって、次の図のように電池を接続すると電流が流れません。
これが逆方向の場合です。


このダイオードの整流作用を使えば、交流を直流のように変換することが可能になります。

ダイオードを入れない場合の電圧変化

ダイオードを入れた場合 半波整流

参考 ダイオードブリッジを用いたら

 

参考 コンデンサーを用いた平滑回路
ダイオードで電流が遮断されているときはコンデンサーが放電する

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まとめ

n型半導体

  • nはnegative
  • $Si,\:Ge$ などに微量の $P,\:Sb$ を入れる
  • キャリアは電子。 $-$ 

p型半導体

  • pはpositive
  • $Si,\:Ge$ などに微量の $Al,\:In$ を入れる
  • キャリアはホール (正孔)。 $+$ の粒子として振る舞う

ダイオードは不純物半導体をpn接合したもの。

図のように覚えればいいでしょう。

順方向にしか電流が流れない。p →n 方向が順方向です。
この性質を使って整流回路を作ることができます。
これらのメカニズムについて理解しておいて下さい。

ではこれからも頑張りましょう!

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