トランジスタのように半導体で作られた部品は、半導体素子とか半導体部品と呼ばれます。半導体部品で最初に出てくるのは、ダイオードです。ダイオードと言っても、多くの種類があります。一般小信号用ダイオード，整流用ダイオード，スイッチング・ダイオード，定電圧ダイオード（ツェナー・ダイオード），発光ダイオード（ＬＥＤ），可変容量ダイオード（バリキャップ）などなど。用途によってダイオードの構造・特性がそれぞれ違います。

検波用ダイオードの外観 （ゲルマニウム・点接触型）

ダイオードの種類といっても色々あるよ
　まず、ダイオードを作っている半導体の種類で分けると、４価の元素ではシリコン・ダイオードと、ゲルマニウム・ダイオードがあり、３価や５価といった元素の化合物半導体としてＧａＡｓＰ（ガリウム・ひ素・リン）があります。シリコンダイオードは、整流用やスイッチング用、ゲルマニウム・ダイオードは検波用に使われます。化合物半導体では発光ダイオードに使われます。

（１）ダイオードの用途別分類
　用途別の分類では、整流特性を用いる一般小信号用、整流用、スイッチング用などのダイオード、逆降伏特性を用いる定電圧ダイオード、ＦＥＴの負帰還を用いる定電流ダイオード、接合容量を用いる可変容量ダイオードなどがあります。さらに光電効果を利用するＬＥＤやフォト・ダイオードもあります。また、使用する信号の大きさや周波数によって、小信号用、パワー用、低周波用、高周波用、マイクロ波用などに分けることもあります。
表２は、おおまかなダイオードの用途別の分類を示します。

（２）ダイオードの構造による分類
　まず、構造的には半導体のＰＮ接合（図１）を用いるものが大部分で、他にＰ層とＮ層の間にＩ層（真性半導体層）を設けたＰＩＮダイオード（図２）や、半導体と金属の接触による点接触型ダイオード（図３）や、ショットキ・バリア・ダイオード（図４）、ＦＥＴを利用した定電流ダイオード（図５）などがあります。

図１．　ＰＮ接合型ダイオード

図２．　ＰＩＮ型ダイオード

図３（ａ）．点接触型ダイオード

図３（ｂ）．点接触型ダイオードの写真

図４．ショットキ・バリア型ダイオード

図５．定電流ダイオード

ダイオードの整流特性の原理
　半導体の理屈を電子回路屋さんに解説するのは、とてもたいへんなことです。物理学の立場から解説するともう拒否反応を起こしちゃいます。そこで物理的な原理は深く掘り下げないことにして、ここではポンチ絵などを書いて、ごく入門的な説明をすることにしました。あまり難しい理論ばかり知っていても、使い方が分からなければ電子工作はできませんから。(^^;)
さて、シリコンやゲルマニウムのように、金属と絶縁物の中間の性質をもった元素を半導体と言っていますが、半導体には真性半導体と不純物半導体があります。真性半導体というのは、とても純粋な半導体のことで、その純度は、９９．９９９９９９９９％と、９が１０個も並ぶほどです。
ダイオードやトランジスタを作る上で、まずこのような純粋さが必要なのです。この純度をテン・ナインなどと表現しています。
ところが、実際にダイオードやトランジスタに必要なのは、（ＰＩＮ型ダイオードのように真性半導体も使われますが）、実は真性半導体ではなくて、真性半導体の中に、ごくわずかな特殊な不純物を混ぜた不純物半導体なのです。
不純物というと何だか悪い印象を持つ方もおられると思いますが、不純物を少し入れることによって、いろいろとおもしろい性質を示すようになります。半導体に不純物を添加することをドープするとか、ドーピング(doping)と言います。
不純物半導体には、ｐ型半導体と、ｎ型半導体があります。これまでダイオードの構造図で、「Ｐ」とか「Ｎ」とか書かれていたところです。
では、得意のポンチ絵を図６に描きましたので見て下さい。

図６．二種類の不純物をドープした模式図

　シリコンは４つの価電子をもつので、シリコンの原子どうしは４つずつ隣のシリコンの価電子と提供し合って共有することになります。この結合を共有結合と言います。ちょうど図６のポンチ絵で見ると、Ｓｉと書かれたシリコン原子に４本の腕があって、隣のシリコン原子どうしの腕と結んで描かれています。水色の●が価電子に相当し、１つの腕に２つずつ共有し合って結ばれています。
　まず、シリコンなどの４価の元素に、不純物として砒（ひ）素などの５価の元素をごくわずか混ぜた場合を見てみましょう。砒素は５価の元素ですので、シリコンの原子と結合するときに１個の電子が余ることになります。この過剰の電子を伝導電子とか自由電子とか言って電気伝導に寄与し、ｎ型半導体になります。このとき不純物として入れた砒素原子はドナー(donor)と呼ばれます。
　一方、ホウ素などの３価の元素をごくわずか混ぜた場合を見てみましょう。ホウ素は３価の元素ですので、シリコンの原子と結合するときに１個電子が足らなくなって、穴ができます。この穴を正孔あるいはホール(hole)と言って、図７のようにホールは隣の電子が次々とこの穴を満たしていくことによって（別の電子でこの穴を埋めようとする・・・）、電子の移動と逆方向に移動します。すなわち、正孔とは電子の飛び出した後のぬけがらのことなのです。このぬけがらは、マイナス電荷の電子が飛び出したのでプラスの電荷の性質を示します。したがって、この場合は、プラス電荷のホールが電気伝導に寄与し、ｐ型半導体になります。このとき不純物として入れたホウ素原子はアクセプタ(acceptor)と呼ばれます。

図７．正孔（ホール）が電気を運ぶ様子 　　　　正孔そのものが動いて行くわけではなく、 　　　　電子が正孔を次々とうめていくで、 　　　　あたかも正孔が動いているように見えます。

　伝導電子と正孔（ホール）のことを、キャリア(carrier)と言います。つまり、キャリアが正電荷の正孔（ホール）である半導体がｐ型半導体で、キャリアが負電荷の電子である半導体がｎ型半導体というわけです。
多くの半導体素子は、その結晶内に不純物を均一にドープして作るのではなく、不純物濃度が位置によって異なるように作られます。このドーピングの位置の変化によって、所要の電気特性が得られるのです。
ｐ型半導体とｎ型半導体が単結晶を構成するように作ったものを、ｐｎ接合と言います。ｐｎ接合は、ダイオード、トランジスタなど多くの半導体素子に共通の基本要素です。
このｐｎ接合は、ｐ型半導体とｎ型半導体を単純に接触したものではなくて、単結晶となるように製造しています。それでは、いよいよｐｎ接合ダイオードの整流特性の原理を説明します。

（１）逆方向バイアス
ｐ型の方にマイナス、ｎ型の方にプラスの電圧を与えた場合を、図８に示します。
赤い●が正孔（ホール）、青色の●が伝導電子に相当すると思って下さい。したがって、黄色の●がアクセプタ、緑色の●がドナーになります。また、ｐｎ接合面は、ｐ型とｎ型の真ん中ぐらいのところに相当すると思って下さい。
このとき、正孔（ホール）と電子は、自分の電極の方へ引きつけられてしまい、接合面を越えることはできません。したがって、この場合には電流は流れません。このような電圧のかけ方を逆方向バイアスと言います。このとき、ダイオードは高抵抗を示します。

• 正孔（ホール）は加えられた電圧の（＋）に反発し、（−）に引かれる。
• 電子は、加えられた電圧の（−）に反発し、（＋）に引かれる。
• それ以上の変化はない。

（２）順方向バイアス
次に、ｐ型の方にプラス、ｎ型の方にマイナスの電圧を与えてみます。赤い●が正孔（ホール）、青色の●が伝導電子に相当すると思って下さい。したがって、黄色の●がアクセプタ、緑色の●がドナーになります。また、ｐｎ接合面は、ｐ型とｎ型の真ん中ぐらいのところに相当すると思って下さい。
このとき、図９のように、正孔（ホール）と電子は、お互いに相手の電極に引きつけられて、接合面を越えて電子は正孔（ホール）をうめていきます。
これは、すなわちｐｎ接合の中を電流が流れたことになり、回路に電流が流れます。このような電圧のかけ方を順方向バイアスと言います。

＜順方向バイアス時のキャリアの動き＞

• ｐ型半導体内の正孔（ホール）は、加えられた電圧の（＋）に反発し、（−）に引かれ、ｐｎ接合をのり越えて移動する。
• ｎ型半導体に入った正孔（ホール）は、伝導電子と出会って消滅する。（再結合という）
• ｎ型半導体内の伝導電子は、加えられた電圧の（−）に反発し、（＋）に引かれ、ｐｎ接合をのり越えて移動する。
• ｐ型半導体に入った伝導電子は、正孔（ホール）と出会って消滅する。（再結合という）
• 正孔（ホール）と電子は、出会って消滅（再結合）してしまうが、加えられた電圧によって、次々に正孔（ホール）と電子が流入し、継続して電流が流れる。

ダイオードの静特性を知る
　ダイオードの静特性を図に示すと、図１０のようになっています。この図で大切なのは、ｐｎ接合に順方向電圧をかけても、すぐに電流は流れ出さないということです。すなわち、順方向ならどんな小さな電圧を加えても電流が流れるかというと、そうではありません。
順方向に加えた電圧がある値以上になったとき、はじめて流れ始めます。これは、ｐｎ接合の接合面に電位障壁という壁があるからです。その値のことをしきい値といいます。英語では、しきいのことをThreshold（スレッショルド）といい、これもよく使われる言葉です。以下この値をＶ_Ｆと書きます。
この障壁の高さ、すなわちＶ_Ｆは、シリコンで、０．６Ｖ〜０．７Ｖ、ゲルマニウムで０．２Ｖ〜０．３Ｖといったところです。

図１０．　ダイオードの静特性

信号の検出に検波ダイオードを使うノウハウ
　ダイオード検波回路については、図１１に示すように入力信号Ｖｉが加えられると、検波ダイオードに検波電流　Ｉ_Ｄが流れます。その電流は、コンデンサＣに電荷を蓄えます。蓄えられた電荷は、入力信号の負の半サイクルの間に抵抗Ｒを通じて放電し、Ｒの両端に検波整流電流及び電圧として図１２の波形で現れます。
つまり、大きい信号レベルでダイオードの直線性を利用して検波する直線検波（または包絡線検波）になるわけですが、この検波回路において、ダイオードの理想的な特性は、順方向のインピーダンスが０であり、逆方向インピーダンスが無限大になることが要求されます。しかし、ダイオードは図１０に示したように小電圧電流領域で、特性カーブが湾曲していますので、順方向インピーダンスとしてはかなり大きい値となります。つまり、この湾曲部が非直線性歪を発生する原因となってきます。特に、信号の振幅がＶ_Ｆより小さい場合には、ダイオードが働きませんから、整流すること自体が不可能です。したがって、ダイオード単体を信号の検波に用いるのは、信号の振幅が十分に大きい場合や、精度があまり要求されない場合に限られます。

図１１．代表的なダイオード検波回路

図１２．　ダイオード検波の入出力信号波形

検波ダイオードの非直線性歪・改良ノウハウ
　ダイオード検波回路については、図１３に示すように湾曲部をはずすような順方向バイアスを事前に印可すればよく、通常の電流として１０μＡ〜５０μＡ程度流すと良いでしょう。ただし、ＡＭ検波回路などの包絡線検波での歪み改善には効果があるようですが、精度を要求するスペアナの信号検出回路には、あまりお勧めできません。
実は、ダイオードの順方向特性カーブですが、温度に影響されます。特にゲルマニウム・ダイオードは、シリコンよりも非常に温度に敏感でなのです。

検波ダイオードの非直線性歪及び温度特性の本格的な改良ノウハウとしては、ＯＰアンプとダイオードを組み合わせることで実現できます。「検波回路のノウハウ」のページで詳細に紹介することにします。是非そちらをご覧下さい。

図１３．　ダイオードにバイアスをかけたときのダイオード検波回路例

図１４．　バイアスをかけたときのダイオード特性

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