はじめに
ダイオードは、電流の方向に応じて異なる導電率を持つ2電極の電子デバイスです。 ダイオードが開いている（つまり、抵抗が小さい）ときに電流源の正極に接続されたダイオード電極は、負極に接続されたアノード（カソード）と呼ばれます。 （ウィキペディア）
すべてのダイオードは、半導体と非半導体の2つの大きなグループに分けることができます。 ここでは、それらのうち最初のもののみを検討します。
半導体ダイオードは、pn接合などのよく知られたものに基づいています。 ほとんどの読者は、彼について学校の物理学の授業で、そして研究所の誰かにもっと話されたと思う。 ただし、念のため、その作業の一般原則を説明します。
固体のバンド理論についての2つの言葉
pn遷移について説明する前に、いくつかの理論的なポイントについて説明する価値があります。
原子内の電子は原子核から異なる距離にあると考えられています。 したがって、電子が核に近いほど、それらの間の接続はより強くなり、「自由な水泳に」それを送るために適用されなければならないエネルギーが大きくなります。 電子は異なるエネルギーレベルにあると言われています 。 これらのレベルは下から上に向かって電子で満たされ、それぞれのレベルでは厳密に定義された数の電子（ ボーア原子 ）しか存在できません。 したがって、レベルが満杯の場合、スペースが利用可能になるまで、新しい電子はそれに到達できません。 電子がより高いレベルに移動するには、追加のエネルギーを通知する必要があります。 そして、電子が「落下」すると、過剰なエネルギーが放射の形で放出されます。 電子は、原子内の特定のエネルギーを持つ厳密に定義された軌道のみを占有できます。 これらの軌道は認可と呼ばれます。 したがって、電子の位置を特定できない軌道（ゾーン）は禁止と呼ばれます。 これについては、上記のボーア原子へのリンクで詳しく読むことができます。ここでは、公理と考えます。
最も高いエネルギーレベルは、 原子価と呼ばれます。 ほとんどの物質では、部分的にのみ満たされているため、他の原子の外側のサブレベルの電子は常にその上の場所を見つけることができます。 そして、彼らは本当に原子から原子へとランダムに移動し、それによってそれらの間の接続を実現します。 自由電子が移動できる下層は、伝導帯と呼ばれます。 価電子帯が部分的に満たされ、その中の電子が原子から原子に移動できる場合、伝導帯と一致します。 このパターンは導体で観察されます。 半導体では、価電子帯は完全に満たされていますが、価電子レベルと導電レベルのエネルギー差はわずかです。 したがって、電子は単に熱運動によってそれを克服することができます。 そして、絶縁体ではこの差が大きく、故障するためには相当なエネルギーをかける必要があります。
これは、原子のエネルギー構造の全体像です。 pnジャンクションに直接移動できます。
pn接合
そもそも、半導体はn型とp型です。 前者は、四価半導体（ほとんどの場合シリコン）に五価半導体（たとえばヒ素）をドーピングすることで得られます。 この五価不純物はドナーと呼ばれます。 その原子はシリコン原子と4つの化学結合を形成し、5番目の価電子は自由のままで、たとえば物質の温度がわずかに上昇した場合、伝導帯に価電子帯を残すことができます。 したがって、n型導体で過剰な電子が発生します。
P型半導体は、シリコンをドーピングすることでも得られますが、3価の不純物（ボロンなど）が含まれています。 この不純物はアクセプターと呼ばれます。 4つの化学結合のうち3つしか形成できません。 そして、残った未結合の原子価結合は通常、 ホールと呼ばれます。 つまり 穴は実際の粒子ではなく、半導体で発生するプロセスをより便利に説明するために採用された抽象化です。 その電荷は正であり、電子の電荷に等しいと想定されています。 そのため、p型半導体では、過剰な正電荷が発生します。
両方のタイプの半導体では、主な電荷キャリア（n型の電子、p型のホール）に加えて、 少数の電荷キャリアが多数存在します。n領域のホールとp領域の電子です。
p半導体とn半導体を並べて配置すると、それらの間の界面に拡散電流が現れます。 これは、一方では負の電荷（電子）が多すぎ、他方では正（正孔）であるために起こります。 したがって、電子はp半導体境界領域に流れ込みます。 そして、ホールは電子が存在しない場所であるため、ホールが反対方向に移動しているように感じます-n半導体の境界まで。 p領域とn領域に入ると、電子と正孔が再結合し、移動電荷キャリアの数が減少します。 この背景に対して、半導体の境界にある固定された正および負に帯電したイオン（そこから再結合した正孔と電子が「左」になります）がはっきりと見えるようになります。 その結果、物質の境界で2つの狭い荷電領域が得られます。 これはpn接合であり、モバイルキャリアの濃度が低いため、空乏層とも呼ばれます。 当然、ここで電界が発生し、その方向は電子と正孔のさらなる拡散を防ぎます。 潜在的な障壁が生じます。これは、主な電荷キャリアがこれに十分なエネルギーを持っている場合にのみ克服できます。 しかし、少数キャリアにとっては、逆に発生する電界が役立ちます。 したがって、電流はジャンクションを通って反対の拡散方向に流れます。 この電流はドリフト電流と呼ばれます。 外部の影響がない場合、拡散電流とドリフト電流は相互にバランスし、電荷の流れは停止します。
空乏領域の幅と遷移境界の接触電位差（電位障壁）は、pn接合の重要な特性です。
電界が拡散電流を「サポート」するように外部電圧が印加されると、電位障壁が減少し、空乏領域が狭くなります。 したがって、電流は接合部を流れやすくなります。 このような外部電圧接続は、順方向バイアスと呼ばれます。
ただし、外部電場がドリフト電流をサポートするように、接続することも、その逆も可能です。 ただし、この場合、空乏層の幅が広がり、潜在的な障壁が大きくなります。 遷移は「クローズ」します。 このような接続は逆バイアスと呼ばれます。 印加電圧の値が特定の制限値を超えると、遷移が破壊され、電流が流れます（電子は潜在的な障壁をすり抜けられる程度まで加速します）。 この境界値は絶縁破壊電圧と呼ばれます。
理論の終わり、すべてが実際の応用に移る時です。
ついにダイオード
ダイオードは、実際には単一のpn接合です。 それが直接バイアスに接続されている場合、電流はそれを流れ、逆の場合は流れません（実際、とにかく小さなドリフト電流が残っていますが、これは無視できます）。 この原理はダイオードのシンボルに示されています。電流が三角形の矢印に沿って流れる場合、それを妨げるものはありませんが、逆の場合、垂直線上で「つまずく」ことになります。 無線ダイオードのこの垂直線は、端にある幅広のストリップで示されます。
私が愚かな学生で、最初にプリント基板ショップで働きに来たとき、私は最初に神が心に置くようにダイオードをセットアップしました。 後になって初めて、この要素の正しい位置が非常に重要な役割を果たすことを知りました。 しかし、これは余談です。
ダイオードには、非線形の電流電圧特性があります。
ダイオードの用途
- AC整流。 これは、逆バイアスで「ロック」するダイオードの特性に基づいています。 ダイオードは、そのままで、負の半波を「遮断」します。
- 可変容量として。 これらのダイオードはバリキャップと呼ばれます。
ここでは、逆バイアスに対する遷移のバリア容量の依存性が使用されます。 値が大きいほど、接合の空乏領域pnが広くなります。 プレートが領域の境界であり、それ自体が誘電体として機能するフラットコンデンサとして想像できます。 したがって、「誘電体層」が厚いほど、バリア容量は低くなります。 したがって、印加電圧を変えることで、バリキャップの容量を電気的に変えることができます。 - 電圧を安定させるため。 このようなダイオードの動作原理は、外部電圧降下が大幅に増加しても、ダイオード両端の電圧降下がわずかに増加することです。 これは、順バイアスと逆バイアスの両方に当てはまります。 ただし、逆バイアス時のブレークダウン電圧は、ダイオードの順方向電圧よりもはるかに高くなります。 したがって、安定した高電圧を維持する必要がある場合は、ダイオードをオンに戻すことをお勧めします。 そして、故障にもかかわらず動作可能な状態を維持するには、特別なタイプのダイオード 、つまりツェナーダイオードを使用する必要があります。
順方向バイアスモードでは、通常の整流ダイオードのように機能します。 ただし、逆バイアスでは、印加電圧がいわゆるツェナーダイオード電圧に達するまで電流が流れません。ツェナーダイオードの電圧では、ダイオードはかなりの電流を流すことができ、電圧はツェナーダイオードの電圧レベルによって制限されます。 - 「キー」として（スイッチングデバイス）。 このようなダイオードは、印加電圧に応じて非常に迅速に開閉できる必要があります。
- 放射線検出器（ フォトダイオード ）として。
光量子は、n領域の原子に追加のエネルギーを移動します。これにより、多数の新しい電子と正孔のペアが出現します。 それらがpn接合に到達すると、正孔はp領域に入り、電子は接合端に蓄積します。 したがって、ドリフト電流の増加が発生し、p領域とn領域の間にフォトemfと呼ばれる電位差が生じます。 値が大きいほど、光束が大きくなります。 - 光放射（ LED ）を作成します。
正孔と電子が再結合すると（順バイアス）、後者はより低いエネルギーレベルに移行します。 エネルギーの「過剰」は、エネルギーの量子の形で放出されます。 そして、1つまたは別の半導体の化学組成と特性に応じて、1つまたは別の範囲の波を放射します。 放射効率も組成に依存します。
エキゾチックなビット
pn接合は、量子物理学がボールを支配し、奇妙なことが可能になるマイクロワールドの現象の1つであることを忘れないでください。 たとえば、 トンネル効果は、粒子がより少ないエネルギーで潜在的な障壁を通過できる場合です。 これは、運動量と粒子座標（hello、Heisenberg！）の関係の不確実性のために可能になりました。 この効果はトンネルダイオードの根底にあります。
電荷の「漏れ」の可能性を確保するために、それらは縮退半導体（高濃度の不純物を含む）で作られています。 その結果、薄いバリア層を持つ鋭いpn接合ができます。 このようなダイオードは低電力で低慣性なので、マイクロ波領域で使用できます。
別の珍しい種類の半導体ダイオード、 ショットキーダイオードがあります。
従来のpn接合ではなく、ショットキー障壁として金属半導体接合を使用します。 この障壁は、金属と半導体からの電子の仕事関数の値が異なるときに発生します。 n半導体の仕事関数がそれに接する金属よりも小さい場合、金属の境界層は負に帯電し、半導体は正になります（電子が半導体から金属に移動するのはその逆よりも容易です）。 金属/ p半導体コンタクトがあり、2番目の仕事関数が1番目の仕事関数よりも高い場合、正に帯電した金属の境界層と負に帯電した半導体の層が得られます。 いずれにせよ、両方の接触物質の仕事関数が等しくなる潜在的な違いがあります。 これにより、平衡状態が出現し、金属と半導体の間に電位障壁が形成されます。 また、pn接合の場合と同様に、金属/半導体接合に順方向および逆方向のバイアスを印加して、同様の結果を得ることができます。
ショットキーダイオードは、直接接続時の電圧降下が低く、接合部の静電容量が低いという点で、pnダイオードと異なります。 したがって、それらの動作周波数は増加し、干渉のレベルは減少します。
おわりに
もちろん、すべての既存のタイプのダイオードがここで考慮されるわけではありません。 しかし、上記に従って、これらの電子部品についてかなり完全な判断を下すことができることを願っています。
ソース：
ru.wikipedia.org
mda21.ru
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