ダイオードの原理と特性

『LTspice Users Club』のWebサイトはこちら

■問題
電気回路 ― 基礎

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，ダイオード(D₁)と抵抗(R₁)を使用した回路です．この回路の入力電圧(V₁)は，交流の正弦波で，0Vを中心に正負の電圧を回路へ与えます．このとき，OUT端子の波形として正しいのは，図2の(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　ダイオードと抵抗で構成した回路
ダイオードは理想とし，D₁に電流が流れても，ダイオードの電圧はないものとする.

図2　図1のOUT端子の波形として正しいのはどれか．

■ヒント

　ダイオードは，整流作用があり，2つの端子のどちらか片方の方向に向かって電流を通し，その逆は通しません．ダイオードをスイッチとみなせば，通す方向が導通(スイッチオン)，通さない方向が非導通(スイッチオフ)と考えると，OUT端子の電圧波形が分かります．

■解答

(c)

　ダイオードは，図1の「IN」から「OUT」の方向へ電流を通し，その逆は通さない作用があります．図3は，ダイオード(D₁)が電流を通すときの説明図です．

図3　ダイオードが電流を通すときの説明図
(a)交流の正側の振幅のときを表す図　(b)ダイオードをスイッチオンの状態で示した図

　図3(a)の電流の方向になるには，INの電圧がOUTの電圧より高いときです．この状態を入力電圧で考えると，交流の正側の振幅のときとなります．図3では正側の振幅という意味で，電池マークで表しました．この状態を分かりやすいように，ダイオードをスイッチで表したのが図3(b)です．ダイオードが電流を通すことは，スイッチはオンの状態となります．これより，OUT端子には交流の正側の振幅が現れます.
　図4は，図3の反対の状態で，ダイオード(D₁)が電流を通さないときを表します．図4(a)の電流の向きになる入力電圧は，INの電圧がOUTの電圧より低いときであり，交流の負側の振幅のときとなります．

図4　ダイオードが電流を通さないときの説明図
(a)交流の負側の振幅のときを表す図　(b)ダイオードをスイッチオフの状態で示した図

　図4では，負側の振幅という意味で，図3とは逆の電池マークで表しました．図3(a)のダイオードをスイッチで表したのが図4(b)です．ダイオード(D₁)は，電流を通さないので，スイッチはオフとなり，R₁に電流が流れないので，OUTの電圧は0Vとなります．これより，図1の出力波形は，交流の正側の振幅がOUT端子に現れ，負側の振幅のときは，0Vで一定となります．よって，(c)の波形がOUT端子に現れます.

■解説

●ダイオードの原理
　ここではダイオードの原理について，その内部で起きていることを，簡略化した図を用いて解説します．ダイオードは，P型半導体とN型半導体を用いて作ります．図5にP型半導体とN型半導体を示します．P型半導体にはプラスマークの正電荷があり，N型にはマイナスマークの負電荷があります．正電荷は正孔(電子が欠如した箇所)，負電荷は電子となります．

図5　P型半導体とN型半導体の正電荷と負電荷を表した図

　ダイオードは，図6のように，P型半導体とN型半導体を接触させたものです．接触させると，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生まれて安定します．この正孔を電子が埋めることを「再結合」と呼びます．また，可動できる電荷のない領域を「空乏層」と呼びます.

図6　P型半導体とN型半導体を接触させ，ダイオード構造にした図

　図7のように，ダイオードのP型を正，N型を負になるように電圧を与えます．そうすると，電圧の方向と同じ電界がダイオードの中に加えられ，図6の平衡状態を崩します．正の電界は負電荷を，負の電界は正電荷を呼び寄せるので，空乏層が狭くなり，正電荷と負電荷が出会って再結合を始めます．この再結合は連続して起こり，正電荷と負電荷の移動が続きます．電流の向きと電子の流れる向きは逆の関係ですので，ダイオードの電流は，P型からN型へ向かって流れます．この方向を順方向と呼び，電流のことを順方向電流，電圧のことを順方向電圧と呼びます.

図7　ダイオードに電流が通るときの図
この電圧の方向を順方向と呼ぶ．

　次に，図8のように，ダイオードに与える電圧を逆にします．図7とは逆の電界により，正電荷はP型へ，負電荷はN型に寄り，空乏層は広くなります．この空乏層では再結合がなく，正電荷と負電荷の移動が止まり，電流は流れません．この方向を逆方向と呼び，電流のことを逆方向電流，電圧のことを逆方向電圧と呼びます.

図8　ダイオードに電流が通らないときの図
この電圧の方向を逆方向と呼ぶ．

　以上の動作により，ダイオードは順方向に電圧を加えると電流が通り，逆方向に電圧を加えると電流は止まります．これはスイッチの動作であり，解答の図3(b)，図4(b)のように，ダイオードをスイッチで置き換えると，回路の動作が分かりやすくなります.

●ダイオードの記号
　図9は，回路図で用いるダイオードの記号です．P型半導体の方をアノード(英：Anode)，N型半導体の方をカソード(英：Cathode，独：Kathode)と呼びます．アノードの短縮はA，カソードの短縮はKを用います．カソードのKはドイツ語からきています．ダイオードはアノードからカソードに向けて電流を通します．

図9　ダイオードの記号

●ダイオードの特性
　図10にLTspiceを使ったダイオードの特性を示します．グラフ中に測定回路を載せました．V₁をスイープし，ダイオード(D₁)の電流をプロットしています．電流の向きは，アノードからカソードに流れる方向が正となります．
　問題では，ダイオードの電圧を0Vとしましたが，実際には図10のように，ダイオードの電流により，約0.6V～0.7Vの順方向電圧が発生します．この順方向電圧は，ダイオードの製品により変わります．同じ製品でもたくさん測定すると，1つ1つにわずかな差があります．また，シミュレータでは起こりませんが，実際のダイオードは，逆方向電圧を加えると，ブレークダウンを起こします．

図10　ダイオードの特性
横軸：ダイオードの両端の電圧，縦軸：ダイオードに流れる電流

●OUT端子の波形をLTspiceで確認する
　図11は，図1をシミュレーションする回路です．入力電圧は正負の振幅が±10V，周波数が1Hzの正弦波です．シミュレーションは過渡解析を用い，0秒から1秒間の1周期を解析します．

図11　図1をシミュレーションする回路
入力電圧は，振幅10V，周波数1Hzの正弦波.

　図12は，図11のシミュレーション結果で，入力電圧(赤)とOUT端子の電圧(青)をプロットしました．出力波形は，正解の(c)のように，入力電圧の正側を出力し，負側のときは0Vとなります．ダイオードは，図10のように順方向電圧があるため，図12では，OUT端子の電圧は，入力電圧より順方向電圧分だけ低くなります.