3分でわかる技術の超キホン ダイオードの原理と電子回路における役割

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ダイオードとは?電子回路とダイオードの解説

1.ダイオードとは?

電子回路を構成する部品のうち、「ダイオード」は最も基本的な半導体部品の一つです。
パソコンやスマートフォンの内部には、数多く使用されています。

役割を簡単に言うと、ダイオードは、電流を一定方向にしか流さない部品です。(整流作用といいます)
形状は、図1(a)のような形をしています。他に表面実装用のものもあります。
抵抗とは異なって、必ず向きを示す印が付いていることが特徴です。
また、回路記号は、下図1(b)のようになります。
 

電子回路を構成する部品

[図1 ダイオードの形状イメージと回路記号]

 

2.ダイオードの原理

それでは、ダイオードの原理を見ていきましょう。下図2は、ダイオードの原理を示す簡単な図です。

ダイオードの原理

[図2 ダイオードの原理に関する簡単なイメージ図]

 
P型はP型半導体、N型はN型半導体を示しています。
P型半導体には、+マークの正電荷があり、N型半導体には、―マークの負電荷があります。
正電荷は正孔、負電荷は電子となります。

ダイオードは、P型半導体とN型半導体をPN接合させたものになります。
接合面で正電荷と負電荷の電気的な中立性を保つためP型の正孔をN型の電子が埋めて、可動する電荷がない領域ができて安定します。可動できる電荷のない領域を「空乏層」と呼びます。

[※PN接合の基礎知識について学びたい方はこちらをご参照ください。]

電位

[図3 正孔と電子の移動]

 
上図3のように、アノード側電極に+の電位をかけ、カソード側電極に-の電位をかけると、正孔(+)は-の電位がかかるカソード側電極に引き寄せられ、電子(-)は+の電位がかかるアノード側電極に引き寄せられます。このように正孔と電子が移動しているということは、電流が流れるということです。

したがって、アノード側電極に+の電位をかけ、カソード側電極に―の電位をかける(順方向電圧をかける)と、ダイオードには、アノード側からカソード側に向かって電流が流れます
 

カソード側電極

[図4 逆方向に電圧を加える]

 
逆に、図4のように、カソード側電極を+、アノード側電極を-の電位にすると、正孔(+)はアノードの-に引き寄せられ、電子(-)はカソードの+に引き寄せられます。
この場合、空乏層が広がって正孔と電子は移動しなくなります。
したがって、アノード側電極に―の電位をかけ、カソード側電極に+の電位をかける(逆方向電圧をかける)と、ダイオードには電流が流れません

すなわち、ダイオードは、順方向に電圧をかけると電流が流れ、逆方向に電圧を加えると電流は流れないという特徴があります。

 

3.回路におけるダイオードの役割

では、電子回路におけるダイオードの役割について、見てみましょう。

(1)整流作用

下図5は、交流電源にダイオードと抵抗を直列に接続した回路図です。

整流作用

[図5 半波整流回路]

回路図上の(a)の電圧波形は、(a)図のようになります。
交流電源の波形は、ここでは、0Vを中心とした正弦波になります。
そして、ダイオードを通過した後(b)の電圧波形は、(b)図のようになります。
抵抗に交流電源のうちの半分の順方向側電圧だけが与えられるので、このような0Vから下のマイナス電圧の部分が切れた形になっています。これを「半波整流」といいます。
 

全波整流

[図6 全波整流回路]

上図6は、さらに効率よく整流するための回路で「全波整流」という回路です。
図6で、整流素子は、4個のダイオードから構成されていて、直列に接続した2個のダイオードを2組つくり、それぞれの中間に交流電源を接続しています。このダイオードの接続方法を「ブリッジ接続」と呼びます。

図の出力の波形は、交流電源のマイナス電圧の部分をプラスに変換して、全てプラス電圧の部分だけ出力できます。これを半波整流に対して「全波整流」(両波整流)といいます。

さらに、出力部分に抵抗と並列に電解コンデンサ等を接続すれば、電圧波形の波が平滑化されて滑らかな直流電圧を得ることができます。
 

(2)検波作用

ラジオなどにおいて入力電波から音声信号を取り出す役割があります。これを「検波」といいます。
ラジオの電波は、高周波に音声信号などの低周波を合成して作られていて、ダイオードは高周波を取り除くために使用されます。
 

(3)保護作用

トランジスタやICなどの他の部品を過電圧から保護する目的でも、ダイオードは用いられます。
 

ということで、今回は電子回路の基本的な構成部品の一つである「ダイオード」の原理と役割について簡単にまとめてみました。
 

(日本アイアール株式会社 特許調査部 E・N)
 


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