半導体デバイスでは、ダイオードは電流の流れを方向付ける上で重要な役割を果たし、その動作は主に順方向バイアスと逆方向バイアスに分類されます。ダイオードは、p 型領域がバッテリーの正極に接続され、n 型領域が負極に接続されている場合、順方向バイアスされていると言われます。この構成により、ダイオード内の電位障壁が減少し、電流が p 型領域から n 型領域に容易に流れるようになります。
順方向バイアスでのダイオードの動作は、ダイオードの材料、温度、および物理的寸法によって影響を受ける I-V 特性によって決まります。順方向バイアスの場合、ダイオードの電流 (I_D) はダイオード方程式で表すことができます。
ここで、I_S は飽和電流、q は電子電荷、V_D はダイオードにかかる電圧、n は放出係数、k はボルツマン定数、T は接合温度です。熱電圧 V_T (kT/q) は、ダイオードを横切って電荷キャリアを移動させるために必要なエネルギーを測定し、室温での値はおよそ 26 mV です。
ダイオードは、カットイン電圧 (シリコンダイオードでは通常 0.7V) 未満の電圧では電流が無視できるほど小さい値を示します。順方向バイアスでは、順方向電流が 10 倍変化するごとに、ダイオード電圧がおよそ 60mV 変化します。飽和電流 (I_S) は温度とダイオードの断面積によって変化し、10°C 上昇するごとに 2 倍になります。I_S と V_T の温度依存性により、ダイオードの電圧降下は、定電流で温度が 1°C 上昇するごとにおよそ 2mV 減少します。この特性は、電子温度計などの温度検知回路で活用されています。整流器、信号ミキサー、電圧レギュレータなど、ダイオードが中心コンポーネントである電子機器では、これらの特性を理解することが非常に重要です。
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