ダイオードってなに?向きや記号をわかりやすく解説

ダイオードの問題が出ると解きにくくありませんか?

ダイオードについて説明できますか?

この質問でギクッてした人はこの記事を読むこと必須です。

なぜならダイオードの問題が解けない人はダイオードを理解していないからです。

この記事ではダイオードを根本的なところから理解できるようにかみ砕いて説明しているので、しっかり理解するようにしましょう。

そして、不意にダイオードの問題が出ても解けるように問題の解き方もしっかり解説していきます。

半導体とダイオードは密接に関係しているので、半導体の説明も一緒にしていこうと思います。

半導体とは

半導体とは、電気の通しやすさが導体と不導体の中間の物質のことをいいます。

半導体には真性半導体と不純物半導体が存在します。

それぞれについて解説していきます。

真性半導体

真性半導体とは、シリコンのみを成分とした不純物を含まない半導体のことです。

この真性半導体は、シリコンの共有結合によって結合っされた物質なので、電気をほとんど通しません。

イラストで簡単に説明してみます。

シリコンは最外殻に4つの電子をもっているので、図のように共有結合をしてシリコンの結晶を作ります。

これがシリコンの真性半導体なわけですが、通常はこれで用いることはありません。

ここに不純物を混ぜることにより不純物半導体にする事で電気を通しやすくします。

不純物半導体

不純物半導体には、p型とn型があり、それぞれ異なる特徴を持ちます。

どのような特徴か?

説明していきますね。

n型半導体

n型半導体では、シリコンの結晶にごく少量のリン(P)を混ぜます。

リンは最外殻に電子を5つもつので、これがシリコンの結晶に結合すると4つの電子は結合に使われますが、1つだけ余ることになります。

この余った電子は外部からの刺激により自由電子として容易に動き出します。

n型半導体では、この余った自由電子は移動することで電流が流れる事になります。

自由電子が流れることから、negativeのnを取りn型半導体と呼んでいるという事になります。

p型半導体

p型半導体とは、シリコンの結晶にごく少量のホウ素(B)などを混ぜたものです。

ホウ素は最外殻に3つの電子をもった元素なので、シリコンに結合させると3つの電子は共有されますが、シリコンよりも1つ電子の数が少ないので、空洞ができることになります。

このままでは結合が不十分なので、隣にある電子が移動してこの空洞を埋めます。

そして、また空洞が出来てさらにその空洞を埋める、といった事が起こります。

このようにp型半導体は空洞の移動が絶えず起きているという事が分かりますね。

この空洞のことをホール(正孔)と呼びます。

見た目上、電子が少ないためにプラスに見えるので、positiveのpを取ってp型半導体と呼んでいます。

さらにn型半導体の自由電子、p型半導体のホール、この二つをキャリアと呼びます。

ダイオードとは

ダイオードとは、一方向に電流を流して、逆向きには電流を流さない電子部品のことです。

n型半導体とp型半導体を接合して作られます。

 

ダイオードの記号と向き

ダイオードの記号は次のように表します。

そして、電流の向きは図の矢印の向きに流れます。

逆方向には流れません。

順方向

ダイオードの順方向に電圧をかけると電流が流れます。

逆方向

ダイオードの逆方向に電圧をかけると電流は流れません。

このようにダイオードは一方向にしか電流を流しません。

これを整流作用と言います。

ダイオードの整流作用

ダイオードに順方向(矢印の向きに電流が流れるように)に電圧を加えると電流が流れます。

ダイオードに逆方向(矢印の逆向きに電流が流れるように)の電圧を加えると電流は流れません。

これを整流作用と言います。

これをグラフにすると下のようになります。(横軸を電圧、縦軸を電流)

図から見ても順方向に電圧をかけた時は電流が流れ、逆方向に電圧をかけた時は電流が流れない事が分かります。

このグラフは読み取り問題が出ることがあるので覚えておきましょう。

ダイオードの仕組み(np接合ダイオード)

せっかくなのでダイオードの仕組みも簡単に理解してみましょう。

ここで、半導体の知識が役立ちます。

まずダイオードはn型半導体とp型半導体を接合して作られます

まずは順方向に電圧をかけてみましょう。

そうすると、n型半導体の自由電子は図の左方向に、p型半導体の正孔は図の右方向に移動する事が分かります。

そして、接合部分で自由電子と正孔が結合して消えますが、電極によりp型は電子を引き抜かれ正孔ができて、n型には新しく電子が供給されるので、電流が流れ続けることになります。

次に逆方向に電圧をかけてみます。

そうすると、n型半導体の自由電子は図の右向きに、p型半導体の正孔は図の左向きに移動します。

そうすると、接合面付近でキャリアがなくなるので、電子の移動が起こらず電流が流れていないという事になります。

この整流作用の特徴を生かした問題を解いてみましょう。

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ダイオードの問題

問題

図のような抵抗値10 \ \Omegaの抵抗とダイオードを直列につないで50 \ Vの電源につなげた2つ回路AとBを考える。それぞれの回路に電流は流れるか?流れるとしたらその電流値を求めよ。ダイオードの電圧と電流値の関係は簡単のため直線とし

    \begin{eqnarray*}I&=&0 \ (V<0)\\\\&=&\frac{1}{10}V \ (V>0)\end{eqnarray*}

とする。

問題の解答

Bは逆方向に電圧をかけているので電流は流れません。

よってAだけを考えていきます。

ポイントとしては

  1. 未知数の設定
    直列→電流値
    並列→電圧
  2. 式を立てる
    抵抗→オームの法則
    コンデンサー→Q=CV
    ダイオード→整流作用のグラフ
  3. 閉回路1週で電圧降下は0になる
    孤立した部分では電荷は保存する(コンデンサー)

になります。これを徹底して守りましょう。

まずは未知数を設定します。

直列回路は流れる電流が等しいので、その電流値をI \ [A]とします。

そうすると、抵抗にかかる電圧はオームの法則から10I \ [V]、ダイオードにかかる電圧は与えられた式より10I \ [V]になるので、全体の電圧は

    \begin{eqnarray*}V=50=20I\end{eqnarray*}

から、

    \begin{eqnarray*}I=2.5 \ A\end{eqnarray*}

になります。

この記事のポイント

ポイント

ダイオードとは、n型とp型を接合して出来ていて順方向にしか電流を流さない(整流作用)。

ダイオードの問題の解き方

  1. 未知数の設定
    直列→電流値
    並列→電圧
  2. 式を立てる
    抵抗→オームの法則
    コンデンサー→Q=CV
    ダイオード→整流作用のグラフ
  3. 閉回路1週で電圧降下は0になる
    孤立した部分では電荷は保存する(コンデンサー)

しっかり復習しておいてください!


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