二极管 (Diode)

基本概念

ダイオード — PN接合を基盤とする片方向導通素子で、電流はアノード (Anode) からカソード (Cathode) へのみ流れます。

記号:  ──▸├──
      アノード カソード    (三角は電流の許容方向を示す)

実動作: 順方向で導通、逆方向で遮断
      P領域を + に、N領域を - に接続 → 導通
      P領域を - に、N領域を + に接続 → 遮断

電圧-電流特性 (I-V Curve)

  I (mA)
  ↑
  │        ┌────── 順方向導通 (>Vf)
  │        │
  │       /
  │      /
  │     /
──┼────/──────────→ V
  │   /
  │  /
逆方向│         Vf ≈ 0.7V (Si)
降下  │         Vf ≈ 0.3V (ショットキー)
      │         Vf ≈ 1.8~3.3V (LED)

ショークレー方程式

I = Is × (e^(V/(n·VT)) - 1)

Is: 逆方向飽和電流 (~nA~μA)
VT: 熱電圧 ≈ 26mV (300K)
n:  理想係数 1~2

3つの動作領域

一般的な種類

整流ダイオード (Rectifier)

用途: AC→DC 整流
特徴: 大電流 (1A~100A+)、高耐圧 (50V~1kV+)
Vf ≈ 0.7~1.2V
逆回復時間 trr は長い (μs 級)

代表的な型番: 1N4007 (1A/1000V), 1N5408 (3A/1000V)

ファストリカバリダイオード (Fast Recovery)

trr: 数十〜数百 ns
スイッチング電源、高周波整流に使用
代表的な型番: UF4007, FR107

ショットキーダイオード (Schottky)

構造: 金属-半導体接合 (PN接合ではない!)
Vf ≈ 0.15~0.45V  (低順方向電圧降下!)
trr は極めて短い (ほぼゼロ)
欠点: 逆方向漏れ電流が大きく、耐圧が低い (<200V)

用途: スイッチング電源のフリーホイーリング、ORing、太陽光パネルのバイパス
代表的な型番: 1N5819 (1A/40V), SS34 (3A/40V)

ザイナダイオード (Zener)

逆方向降下領域で動作し、安定した基準電圧を提供する

記号: ──▸├──  (カソードの記号がわずかに異なる)

Vz: 2.4V ~ 200V
動作原理:
  Vz < 5V: ザイナ降下 (負の温度係数)
  Vz > 5V: アバランシェ降下 (正の温度係数)
  Vz ≈ 5V: 両者のバランス、温度係数が最小 (最も安定)

代表的な用途: 並列レギュレーター、電圧基準、ESD保護
代表的な型番: BZX55 シリーズ, 1N47xx シリーズ

TVSダイオード (瞬時電圧抑制)

サージ/ESDパルスのみを専用に吸収
応答速度: ps 級
クランプにより後段回路を瞬時電圧から保護

代表的な用途: USB/HDMI などのインターフェースにおける ESD 保護

発光ダイオード (LED)

Vf: 赤≈1.8V、緑≈2.2V、青/白≈3.0~3.3V
電流: 典型的には 5~20mA (インジケーター用)

必ず直列に電流制限抵抗が必要!
R = (Vsupply - Vf) / I_LED

例: 5V で赤色 LED を @10mA で駆動する場合
R = (5-1.8)/0.01 = 320Ω → 330Ω を選択

代表的な応用

ハーフウェーブ整流

      ┌──▸├──┐
AC ───┤      ├── Vout (脈動直流)
      └──────┘

正半周期のみが通過し、効率が低い (40.6%)

フルウェーブブリッジ整流

      ┌──────┐
      │  ┌─▸├─▸├─┐
AC ───┼──┤      ├── Vout
      │  └─▸├─▸├─┘
      └──────┘

4つのダイオードを使用し、両半周期を利用
効率: 81.2% (フィルタコンデンサなし)

フリーホイーリングダイオード (Flyback)

リレー/モーターコイルの遮断時:
  コイル電流は急変できない → 高電圧スパイクが発生
  逆並列接続されたダイオードが電流の経路を提供
  
      ┌──▸├──┐
      │      │
    ┌─┴─┐    │
    │コイル│    │
    └─┬─┘    │
      │      │
      └──────┘

「フリーホイーリング」ダイオードは必須! さもなくば MOSFET/トランジスタが焼損する

クランプ / リミッター

ダイオードを使用して信号を特定の電位範囲に制限
ADC入力保護などでよく使用される: 信号が Vcc+0.3V より大きい、または -0.3V より小さい場合、ダイオードが導通する

選定要点

キーワード: ダイオード, PN接合, Vf, 整流, ショットキー, ザイナ, TVS, LED, フリーホイーリング