pn接合・ダイオード¶

ダイオードの問題は「どの種類か（整流・ツェナー・LED）」と「バイアスの向き（順・逆）」を最初に確認する。それだけで回路動作の8割が決まる。

5秒で思い出す¶

「順バイアス→空乏層が縮む→電流が流れる。逆バイアス→空乏層が広がる→電流が流れない（ただし完全ゼロではない）」

概念・趣旨¶

pn接合の基礎¶

半導体に不純物を加えると「多数キャリア」が変わる。これを利用してダイオードを作る。

p型半導体: III族不純物（B：ホウ素、Al：アルミニウム）を添加 → 正孔（ホール）が多数キャリア
n型半導体: V族不純物（P：リン、As：ヒ素）を添加 → 電子が多数キャリア
接合部（pn接合）: p型とn型を接触させると、正孔と電子が相互に拡散して打ち消し合い、キャリアが存在しない「空乏層」が形成される
ビルトイン電位（内部電位差）: 空乏層に電位差が生じ、それ以上の拡散を阻止する平衡状態になる

「p型は正に帯電している」は誤り

p型半導体は正孔（プラスの電荷を持つキャリア）が多いが、材料全体としては不純物原子と正孔の数が釣り合っており、電気的に中性。「p型 = プラスに帯電」と混同するのは典型的な誤答パターン。

ダイオードの順逆特性¶

バイアス	接続方向	空乏層	電流
順バイアス	p側を正、n側を負	縮む	流れる
逆バイアス	p側を負、n側を正	広がる	ほぼ流れない

順方向電圧降下: Si（シリコン）≒ 0.6〜0.7V、Ge（ゲルマニウム）≒ 0.3V
逆方向飽和電流: 逆バイアス時でも極微小な電流（nA〜μAオーダー）が流れる

「逆バイアスで電流ゼロ」は近似

厳密には逆方向飽和電流 Is（数nA程度）が流れている。試験では「ほぼ流れない」が正解だが、「完全にゼロ」と断言する選択肢は誤り。

整流回路¶

交流を直流に変換する基本回路。ダイオードの枚数と出力波形が出題の核心。

半波整流（ダイオード1本）

正の半サイクルのみ通過、負の半サイクルはカット
公式: 平均値 = Vm/π（≒ 0.318Vm）

全波整流・ブリッジ整流（ダイオード4本）

正負両サイクルを正方向に変換
公式: 平均値 = 2Vm/π（≒ 0.637Vm）

（Vm = 交流の最大値）

半波整流の平均値を「Vm/2」と答えるミス

「半波だから半分 → Vm/2」と反射的に答える誤答が多い。

正しくは Vm/π（≒ 0.318Vm）。半サイクルの正弦波の平均をπで割る計算から導かれる。覚え方：「半波は π 分の Vm、全波は π 分の 2Vm」と組み合わせで覚える。

ツェナーダイオード¶

逆バイアスを大きくしていくと、ある電圧（ツェナー電圧 Vz）で急激に電流が流れる「降伏」が起きる。これを意図的に利用した素子。

使用方向: 逆バイアス（通常ダイオードとは逆）
動作: 逆電圧が Vz に達すると一定電圧を維持しながら電流が流れ続ける
用途: 定電圧回路・電源の過電圧保護

ツェナーは「逆向きで使う」

通常の整流ダイオードは順バイアスで使うが、ツェナーは逆バイアスで使う定電圧素子。回路図でダイオード記号が逆向きに入っていたら「ツェナー定電圧回路」と判断する。

ダイオード種類比較表¶

種類	使用方向	主な用途	特徴
整流ダイオード	順バイアス	整流・スイッチング	一般用途。Si: 0.6〜0.7V降下
ツェナーダイオード	逆バイアス（降伏）	定電圧・過電圧保護	Vzで一定電圧を維持
発光ダイオード（LED）	順バイアス	表示・照明	順電流→光放出（電子・正孔の再結合）
フォトダイオード	逆バイアス	光検出センサ	光が当たる→逆電流が流れる

なぜ空乏層でスイッチングするのか¶

「空乏層の幅 = ダイオードのON/OFF」の因果

順バイアス: 外部電圧がビルトイン電位に抗して正孔・電子を接合部に押し込む → 空乏層が消滅 → キャリアが移動できる → 電流が流れる
逆バイアス: 外部電圧がビルトイン電位と同方向に加わる → 空乏層がさらに広がる → キャリアが枯渇 → 電流が流れない

結論: 順バイアス→空乏層を消す→ON、逆バイアス→空乏層を広げる→OFF　この因果を言えれば回路解析に応用できる。

ひっかかりポイント¶

混同 No.1: 「p型は正に帯電している」

誤パターン: 「正孔（プラス）が多い = p型全体がプラスに帯電」と混同する。

p型半導体は電気的中性。不純物原子（負イオンとして固定）と正孔の数が釣り合っている。「帯電」は電荷が偏った状態を指し、p型全体では偏りがない。

混同 No.2: 半波整流の平均値を Vm/2 と答える

誤パターン: 「半波 = 半分 = Vm/2」と直感で答える。

正弦波の半サイクルを平均すると Vm × (2/π)/2 = Vm/π。全波の 2Vm/π と対比して「半波はその半分 = Vm/π」と覚えると間違えない。

混同 No.3: ツェナーの向きを逆に覚える

誤パターン: 「ツェナーも順バイアスで使う」と思い込む。

ツェナーは逆バイアス側の降伏現象を利用する。回路図では通常ダイオードと逆向きに描かれる。「逆に使うから定電圧が取れる」という用途とセットで覚える。

混同 No.4: 「逆バイアスで電流ゼロ」

誤パターン: 逆バイアス = 電流完全遮断と断言する。

微小な逆方向飽和電流（Is）が常に流れている。試験の記述問題では「ほぼ流れない」「逆方向飽和電流のみ流れる」が正確な表現。

頻出論点と落とし穴¶

整流回路の実効値・平均値の使い分け
- 発熱計算（ジュール熱）には実効値を使う（交流の実効値と同じ扱い）
- 直流電圧・電流の大きさには平均値を使う
- 問題が「平均電圧」か「実効値電圧」かを冒頭で確認してから計算する
ブリッジ整流の電圧降下
- ダイオード4本のブリッジでは、電流は常に2本のダイオードを通過する
- 出力電圧 = Vm - 2 × 0.7V（Siダイオードの場合）の補正が必要な場合がある
- 「ダイオードの電圧降下を無視できる」と問題文に書いてあれば補正不要
ツェナーダイオードの電流方向
- ツェナー回路では電流の矢印が「ダイオード記号の逆向き」に流れる
- 直列抵抗（電流制限抵抗）で Vz を超えた電圧を消費する設計が基本
- 負荷が変動しても Vz は一定 → 定電圧回路として機能する理由
LEDとフォトダイオードの電流方向の違い
- LED（順バイアス）：電流の向きと光放出は順方向
- フォトダイオード（逆バイアス）：光が当たると少数キャリアが増加し、逆方向電流が増える（光電流）
- 出題では「光→電流」か「電流→光」かで素子を判断する

正答者 vs 誤答者の視点差¶

観点	誤答者	正答者
p型の帯電	「正孔が多い = 正に帯電」と思い込む	不純物原子と正孔が釣り合い、全体は電気的中性と理解
逆バイアスの電流	「電流ゼロ」と断言する	逆方向飽和電流が微小ながら流れると理解
半波整流の平均値	「Vm/2」と直感で答える	「Vm/π」と正弦波の平均計算から導いて答える
ツェナーの向き	「順バイアスで使う」と混同	「逆バイアス側の降伏を利用する」と用途とセットで理解
整流回路の計算	実効値と平均値を混同して計算する	発熱→実効値、直流出力→平均値と使い分ける