半導体とダイオード

理論-23　電気理論・電子理論・電気計測

真性半導体
n形半導体
p形半導体
キャリヤ
pn接合
ダイオード
整流作用
ツェナーダイオード
発光ダイオード

はじめに

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「半導体って、ニュースでよく聞くけれど、いったい何が『半分』なの……？」

前回の記事では、正弦波でない交流を、基本波と高調波の和として扱う方法を学びました。ここまでの理論は、抵抗・コイル・コンデンサを組み合わせた「電気回路」の話でした。今回から、少し趣の違う「電子回路」の話に入ります。

身の回りを見渡すと、スマホの充電器、照明の LED、エアコンの制御基板など、あらゆる電気製品に半導体の部品が入っています。例えば、コンセントの交流から直流を作る充電器の中では、電流を一方向にしか通さない部品がはたらいています。

実は、こうした部品は、電気を「通す」と「通さない」の中間の性質を持つ材料に、ほんの少しだけ別の原子を混ぜて作られています。混ぜる原子の種類によって、電気を運ぶ粒の種類が変わり、それを貼り合わせると「一方通行の弁」ができあがります。

そこで登場するのが、今回の主役「ダイオード」です。2種類の半導体を接合した、電流を一方向にだけ流す部品です。

今回の記事では、半導体の種類と、電気を運ぶキャリヤ、pn接合とダイオードのはたらき、そしてツェナーダイオードや発光ダイオードについて解説します。

半導体と真性半導体：導体と絶縁体の中間

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はじめに、半導体と真性半導体について紹介します。

オームの法則の記事で、電気を通しやすい導体と、通しにくい 絶縁体 を学びました。その中間の抵抗率を持つ材料が 半導体 です。代表は シリコン（ケイ素） で、ほかにゲルマニウムなどがあります。

シリコンの原子は、いちばん外側に4個の電子（価電子）を持っています。結晶の中では、となりの原子と価電子を出し合って、手をつなぐようにがっちり結びついています。このままでは電子は動けないので、電気はほとんど流れません。

ところが、熱や光のエネルギーを受けると、一部の電子が結びつきから外れて自由に動けるようになります。これが 自由電子 です。電子が抜けた後には、電子の「空席」が残ります。この空席を正孔（ホール）と呼びます。

正孔は、プラスの電荷を持つ粒のようにふるまいます。満員の駐車場で1台ぶんの空きがあると、となりの車が空きに移り、そのまたとなりの車が移って、空きがどんどん移動していきます。車（電子）が一台ずつ動くと、空き（正孔）は反対向きに動いて見えます。正孔の移動は、これと同じしくみです。

自由電子や正孔のように、電気を運ぶ役目の粒を キャリヤ と呼びます。半導体のキャリヤは、マイナスの自由電子と、プラスの正孔の2種類です。

不純物を含まない、純粋な半導体を 真性半導体 と呼びます。真性半導体では、電子が1個外れるたびに正孔が1個できるので、自由電子と正孔の数は等しくなります。

ここで1つ注意があります。金属は温度が上がると抵抗が大きくなりました。一方、半導体は温度が上がると、結びつきから外れる電子が増えてキャリヤが多くなるので、抵抗は小さくなります。つまり、抵抗の温度係数がマイナスです。

試験のポイント：「温度が上がると、金属の抵抗は増え、半導体の抵抗は減る」という比較は、正誤問題の定番です。

このように、半導体は導体と絶縁体の中間の材料で、自由電子と正孔の2種類のキャリヤが電気を運びます。

以上が、半導体と真性半導体についてです。

n形半導体とp形半導体：不純物でキャリヤを増やす

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次に、n形半導体とp形半導体について紹介します。

真性半導体のままでは、キャリヤが少なくて部品として使いにくいです。そこで、ごく微量の別の原子（不純物）を混ぜて、キャリヤを増やします。混ぜる原子の価電子の数によって、2つの種類ができます。1つずつ見ていきましょう。

1. n形半導体

シリコンに、価電子を5個持つ原子（リンやヒ素など）を混ぜます。手をつなぐのに使うのは4個なので、1個の電子が余ります。この余った電子が自由電子になります。

自由電子が多い半導体を n形半導体 と呼びます。n は negative（マイナス）の頭文字で、マイナスの電子が主に電気を運ぶからです。電子を与える不純物なので、5価の不純物を ドナー と呼びます。

2. p形半導体

反対に、価電子を3個持つ原子（ホウ素やインジウムなど）を混ぜます。手をつなぐには1個足りないので、電子の空席、つまり正孔ができます。

正孔が多い半導体を p形半導体 と呼びます。p は positive（プラス）の頭文字です。電子を受け取る不純物なので、3価の不純物を アクセプタ と呼びます。

3. 多数キャリヤと少数キャリヤ

n形半導体の中にも、熱でできた正孔がわずかにあります。そこで、数の多いほうを 多数キャリヤ、少ないほうを 少数キャリヤ と呼び分けます。

【多数キャリヤと少数キャリヤ】

n形半導体：多数キャリヤは自由電子、少数キャリヤは正孔。不純物は5価（ドナー）
p形半導体：多数キャリヤは正孔、少数キャリヤは自由電子。不純物は3価（アクセプタ）

覚え方は、「n は negative で電子、p は positive で正孔」です。不純物の価数は、「5価は1個余る、3価は1個足りない」と理由から思い出せるようにしておきましょう。

試験のポイント：「n形の多数キャリヤは正孔である」「p形に混ぜる不純物は5価である」のように、組み合わせを入れ替えた誤りの選択肢がよく出ます。

このように、5価の不純物を混ぜると自由電子の多いn形、3価の不純物を混ぜると正孔の多いp形の半導体ができます。

以上が、n形半導体とp形半導体についてです。

pn接合とダイオード：電流の一方通行

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続いて、pn接合とダイオードについて紹介します。

p形半導体とn形半導体を1つの結晶の中でつなぎ合わせたものを pn接合 と呼びます。つなぎ目の近くでは、n形の自由電子とp形の正孔が引き合って結びつき、打ち消し合います。その結果、つなぎ目にはキャリヤのほとんどない層ができます。これを 空乏層 と呼びます。

pn接合に電極を付けた部品が ダイオード です。p形の側の電極を アノード（A）、n形の側の電極を カソード（K）と呼びます。電圧のかけ方によって、ふるまいがまったく変わります。

【ダイオードの2つの電圧のかけ方】

順方向：アノードをプラス、カソードをマイナスにする。キャリヤがつなぎ目に押し込まれて空乏層が薄くなり、電流がよく流れる
逆方向：アノードをマイナス、カソードをプラスにする。キャリヤがつなぎ目から引き離されて空乏層が厚くなり、電流はほとんど流れない

水道の逆止弁にたとえると分かりやすいです。逆止弁は、水が正しい向きに流れるときは弁が開き、逆向きに流れようとすると弁が閉じます。ダイオードも、順方向には電流を通し、逆方向には通しません。

ただし、順方向でも、電圧が低いうちはほとんど電流が流れません。シリコンのダイオードでは、約 0.6〜0.7V を超えたあたりから急に電流が流れ始めます。電流が流れているときのダイオードの両端の電圧を 順方向電圧 と呼び、計算ではほぼ一定とみなします。

例題：ダイオードを含む回路の電流

起電力 5V の直流電源に、シリコンのダイオードと 1kΩ の抵抗を直列につなぎました。ダイオードには順方向に電圧がかかっています。ダイオードの順方向電圧を 0.7V とすると、回路に流れる電流は何mAでしょうか？

【解き方】

抵抗にかかる電圧を求める：キルヒホッフの電圧則より 5 − 0.7 = 4.3V
電流を求める： 4.3 ÷ 1000 = 0.0043A
単位を直す： 0.0043A = 4.3mA

答えは 4.3mA です。ダイオードを逆向きにつなぐと、電流はほぼ 0 になります。

整流作用

ダイオードが電流を一方向にだけ流すはたらきを 整流作用 と呼びます。この性質を使うと、交流を直流に変えられます。

交流の電圧を1個のダイオードを通して抵抗にかけると、プラスの半周期だけ電流が流れ、マイナスの半周期は止まります。これを 半波整流 と呼びます。正弦波を半波整流した電圧の平均値は、最大値を $V_m$ として次のようになります。

V_{\text{av}} = \frac{V_m}{\pi}

例えば、実効値 100V の交流なら、最大値は $100\sqrt{2} \approx 141.4$ V なので、半波整流した電圧の平均値は 141.4 ÷ π ≈ 45V です。ダイオードを4個組み合わせて、マイナスの半周期も折り返して使う方法は 全波整流 と呼び、平均値は半波整流の2倍の $2V_m/\pi$ になります。

このように、pn接合を使ったダイオードは順方向にだけ電流を通し、その整流作用で交流を直流に変えられます。

以上が、pn接合とダイオードについてです。

いろいろなダイオード：ツェナーダイオードと発光ダイオード

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最後に、ツェナーダイオードと発光ダイオードについて紹介します。

ダイオードは、整流のほかにもいろいろな役目に使われます。電験でよく問われる2つを見ていきましょう。

1. ツェナーダイオード

ふつうのダイオードに逆方向の電圧をかけていくと、ある電圧を超えたところで、急に大きな電流が流れ始めます。これを降伏と呼び、そのときの電圧を 降伏電圧（ツェナー電圧）と呼びます。

降伏が起きている間は、電流が大きく変わっても、両端の電圧はほぼ一定に保たれます。この性質を利用して、わざと逆方向に使う部品が ツェナーダイオード です。定電圧ダイオードとも呼ばれ、電源の電圧を一定に保つ回路に使われます。

ダムの越流堤にたとえると分かりやすいです。水位が堤の高さを超えると、あふれた分だけ水が流れ出し、水位はほぼ堤の高さのまま保たれます。ツェナーダイオードも、降伏電圧を超えた分を電流として逃がし、電圧を一定に保ちます。

例題：ツェナーダイオードの定電圧回路

起電力 15V の直流電源に、300Ω の抵抗を直列に入れ、その先にツェナー電圧 6V のツェナーダイオードと 600Ω の負荷抵抗を並列につなぎました。ツェナーダイオードは降伏しているものとします。ツェナーダイオードに流れる電流は何mAでしょうか？

【解き方】

負荷の電圧はツェナー電圧と同じ 6V。300Ω の抵抗にかかる電圧は 15 − 6 = 9V
300Ω に流れる電流： 9 ÷ 300 = 0.03A = 30mA
負荷に流れる電流： 6 ÷ 600 = 0.01A = 10mA
キルヒホッフの電流則より、ツェナーダイオードの電流は 30 − 10 = 20mA

答えは 20mA です。電源の電圧が少し変わっても、変化分はツェナーダイオードの電流が引き受けるので、負荷の電圧は 6V のまま保たれます。

2. 発光ダイオード

発光ダイオード（LED）は、順方向に電流を流すと光るダイオードです。pn接合のつなぎ目で、自由電子と正孔が出会って結びつくとき、余ったエネルギーが光として出てきます。

光の色は、半導体の材料によって決まります。発光ダイオードは電球と比べて、同じ明るさに必要な電力が小さく、寿命も長いので、照明や表示灯、信号機などに広く使われています。

発光ダイオードの順方向電圧は、ふつうのシリコンのダイオードより大きく、色によって約 2〜3V です。また、電流が流れすぎると壊れるので、抵抗を直列に入れて電流を制限します。例えば、順方向電圧 2V の発光ダイオードを 5V の電源につなぎ、15mA を流すなら、抵抗は (5 − 2) ÷ 0.015 = 200Ω にします。