半導体ダイオードの概要
半導体ダイオードは、電流を一方向にのみ流すことができる電子部品です。シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料で作られ、正の電荷キャリア（p型）が多い層と、負の電荷キャリア（n型）が多い層の2つの層から構成されています。ダイオードが回路に接続され、p型層に正の電圧が、n型層に負の電圧が適用されると、ダイオードを通して電流が容易に流れます。これは、n型層の電子が正の電圧に引き寄せられ、p型層のホールが負の電圧に引き寄せられるため、ダイオードを横切る電流の流れが生じるためです。しかし、電圧が逆になり、n型層に正の電圧、p型層に負の電圧が適用されると、ダイオードは電流を流すことができません。これは、主なキャリア（n型層の電子とp型層のホール）が接合部から遠ざけられ、電流の流れを阻む障害となる空乏領域を作り出すためです。半導体ダイオードは、整流器、電圧調整器、信号検出器など、さまざまな電子応用で使用されます。
ダイオードの応用
電流を一方向にのみ流す能力のため、ダイオードは電子回路で多くの用途に使用されます。ダイオードの一般的な用途には以下のようなものがあります：
- 整流：ダイオードは、交流電圧を一方向のみに流すことで直流電圧に変換する整流器回路でよく使用されます。
- 電圧調整：ゼナーダイオードは、入力電圧の変動にもかかわらず、一定の電圧出力を維持するための電圧調整器として使用できます。
- 信号復調：ダイオードは、高周波のキャリア信号を通過させ、低周波の変調信号を整流することで、振幅変調（AM）ラジオ信号を復調するために使用できます。
- クリッピングとクランピング：ダイオードは、信号の一部のみを通過させることで信号の電圧をクリップするか、または信号を特定の電圧レベルに固定するために使用できます。
- 保護：ダイオードは、電圧スパイクや逆極性から電子部品を保護するための保護装置として使用できます。
- 発光ダイオード（LED）：LEDは、電流が流れると光を放出するタイプのダイオードです。照明、ディスプレイ、インジケーターなどのさまざまな用途に使用されます。
p-n接合について
半導体に不純物がドーピングされると、材料内に余分な電子（n型ドーピング）またはホール（p型ドーピング）が発生し、電気的な荷電を担うことができます。これらの余分な電子またはホールは材料内を移動することができ、電流の流れを可能にします。異なるドーピング領域の2つの半導体材料が結合されると、p-n接合が形成されます。p-n接合では、n型領域からの余分な電子とp型領域からのホールが接合部を越えて拡散し、結合して、荷電キャリアが欠乏した領域（空乏領域）を作り出します。
p型半導体は比較的導電性が高く、n型半導体も同様ですが、これらの間の接合部は、2つの半導体領域の相対電圧に応じて、荷電キャリアが欠乏し、非導電性になる可能性があります。この非導電性層を操作することで、p–n接合は一方向にのみ電気を流すことができるダイオードとして一般的に使用されます。
バイアスとは
バイアスとは、p–n接合領域に対する電圧の適用です：
- 順バイアス：p-n接合に順方向のバイアス（つまり、正の端子がp型領域に、負の端子がn型領域に接続される）が適用されると、空乏領域は狭くなり、材料を通しての電流の流れを許可します。
- 逆バイアス：逆方向のバイアス（つまり、正の端子がn型領域に、負の端子がp型領域に接続される）が適用されると、空乏領域は広がり、材料を通しての電流の流れを阻止します。ただし、逆電圧を特定のしきい値まで増加させると、材料はアバランシェブレイクダウンと呼ばれるプロセスを経て、空乏領域が突然崩壊し、材料を通して大量の電流が流れるようになります。
p–n接合の順バイアスと逆バイアスの特性は、電荷が一方向にのみ流れることを可能にするダイオードとしての使用を意味します。負の電荷（電子）は、nからpへ容易に流れることができますが、pからnへは流れません。逆も同様です。p–n接合が順バイアスされると、電荷はp–n接合の抵抗が低下するため自由に流れます。しかし、p–n接合が逆バイアスされると、接合部の障害（したがって抵抗）が増加し、電荷の流れは最小限になります。
