ダイオード — PN 接合・整流特性・Zener・LED・フォトダイオードの種類と用途

ダイオードは P 型半導体と N 型半導体を接合した 2 端子素子であり、電流を一方向にのみ通す「整流作用」を持つ。この単純な非対称性が AC/DC 変換・電圧安定化・発光・受光など幅広い電子回路機能の基盤となる。情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

ダイオードの構造と回路記号

ダイオードは P 型半導体（アノード：A）と N 型半導体（カソード：K）が直接接合した PN 接合素子である。回路記号は三角形と縦棒の組み合わせで表され、三角形の頂点方向（A → K）に電流が流れることを示す。

接合部には内蔵電位（シリコンで約 0.6 ～ 0.7 V）を持つ空乏層が形成されており（tech-343）、この空乏層の挙動が整流特性を生み出す。

ダイオードの電流–電圧特性は次の Shockley の式で表される。

I = I₀ (exp(V / (n·Vₜ)) − 1)

順方向バイアス（V > 0）：V がしきい電圧（Si: 約 0.7 V）を超えると電流が指数関数的に増大する。実用上は「0.7 V 降下でほぼ一定の大電流が流れる」と近似する。

逆方向バイアス（V < 0）：電流は逆方向飽和電流 I₀ に飽和し、ほぼゼロとみなせる。ただし逆方向電圧がブレークダウン電圧 VBR を超えると急激に電流が流れる（アバランシェ降伏または Zener 降伏）。

整流ダイオードは AC（交流）を DC（直流）に変換する最も基本的な用途で使われる。

半波整流：ダイオード 1 個で交流の正半周期のみを通過させ、負半周期を遮断する。出力は脈動する直流であり、変換効率は低い。

全波整流（ブリッジ整流）：4 個のダイオードをブリッジ接続して交流の正・負両半周期を直流方向に整流する。電源回路で最も広く使われる構成である。

ツェナーダイオードは逆方向バイアスのブレークダウン特性を意図的に利用する素子である。設計されたブレークダウン電圧（ツェナー電圧 Vz）で急激に導通し始め、電流が広い範囲で変動してもツェナー電圧をほぼ一定に保つ。

主な用途は定電圧回路（シャントレギュレータ）、過電圧保護、基準電圧源である。ツェナー電圧は素子の製造時に 2.4 V ～ 200 V 程度の範囲で設定される。

LED（Light Emitting Diode）は順方向バイアス時に電子と正孔が接合部で再結合するエネルギーを光子として放出する素子である。放出する光の波長はバンドギャップ（tech-342）に対応し、材料によって色が決まる。

白色 LED は青色 LED に黄色蛍光体を組み合わせて実現されている。高効率・長寿命・小型の特性から照明・ディスプレイ・光通信まで広範に普及している。

フォトダイオードは光を受けて電流を生成する素子である。逆方向バイアスを印加した状態で光を照射すると、光子が電子–正孔対を生成し（光電効果）、逆方向電流（光電流）が流れる。光の強度に比例した電流が得られるため、光センサ・撮像素子・太陽電池として利用される。

太陽電池は多数のフォトダイオードをアレイ接続し、光エネルギーを電力に変換するものである。

実際の回路設計では次の主要パラメータでダイオードを選定する。

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