千葉憲昭のきまぐれ電子塾 ＩＩＩ

半導体とは
　導体は電気を通すもの、絶縁体は通さないものとして知られています。これらに対して半導体は、導体と絶縁体の中間的な地位にあり、時には導体として働いたり、またあるときは絶縁体のように電流をブロックします。

　半導体として現在最も多く使われているのはシリコン(Si)で、ひと昔前はゲルマニウム(Ge)が中心的な存在でした。これらの材料はダイヤモンド (炭素) と同じ4属元素なので、結晶にするとしっかりと結びつき、絶縁体として働きます。しかし、結晶に不純物を混ぜると性質は一変します。

P型とN型半導体 　「不純物」には、シリコンなど中心となる半導体に対して紛らわしい性質のものが使われます。 　N型半導体は、シリコン(4属)の場合5属のリン(P)を滲み込ませます。そうするとシリコン結晶に紛れ込んだリンは、シリコンと結合するのに電子を1個余してしまいます(自由電子)。しかし、全体ではプラス・マイナスはバランスしており、マイナスに偏っているわけでないことに注意が必要です。 　「属」というのは、原子の最も外側を回っているとされる電子の数で原子を分類しているもので、結晶では隣の原子と電子を交換して強固に結びつく構造になっています。 　P型半導体は、シリコン(4属)の場合3属のインジウム(In)を滲み込ませます。シリコン結晶に浸み込んだインジウムは、シリコンと結合する電子が1個不足した形になり、穴ができます。これは電子を呼び込む作用があるので、あたかもプラスの電気を持っているように見えることから、「正孔(ホール)」と呼ばれています。この場合も、全体のプラス・マイナスはバランスしています。

導体としてのはたらき 　P型またはN型半導体を単体で使用すると、外見上は導体として働きます。 　N型半導体では、電源を接続すると、自由電子がプラス極に引かれ移動します。そうすると電子が抜けた跡はバランスが破れてプラスになるので、マイナス極から電子を引き寄せて補充します。元に戻った後は、また自由電子がプラス極に引かれるという動作を繰り返し、結局連続して電流を通すことになります。 　P型半導体では、電源を接続すると、正孔がマイナス極から電子を呼び込みます。そうすると孔は埋まりますが、電気的にはバランスが崩れてマイナスになるので、プラス極に電子を渡して中和します。復元された後は、同様に繰り返して連続した電流が生じます。正孔がマイナス極に引かれている点がポイントです。

PN接合とは
　P型半導体とN型半導体を隣接させたものを「PN接合」と言います。

順方向の動作 　PN接合のP側をプラス、N側をマイナスに接続することを「順方向」接続と言います。この状態では、電子を欲しがるP型に対して、マイナス極側にあり自由電子を持つN型が存在することが動作に決定的な影響を与えます。即ち、P型領域では、N型領域から電子を受け取り、プラス極にリレーします。その結果、3.1で述べたP型またはN型単体の場合よりも電流が流れやすくなります。

逆方向の動作 　N側をプラス、P側をマイナスに接続することを「逆方向」接続と言います。今度は、N型領域の電子は最初プラス極に引かれますが、補充されないので連続した電流とはなりません。P型領域についても、最初マイナス極から電子を貰いますが、その電子は行き先がないのでとどまったままです。結果として、定常状態では電流は流れず、絶縁体と同じ働きをします。

ダイオードの極名と記号
　PN接合による2極素子 (ダイオード) のP側を「アノード(陽極)」と言い、N側を「カソード(陰極)」と言います。記号は、アノードが矢印、カソードがそれを受ける板の印に対応します。矢印の方向に電流が流れるのが順方向なので、覚えやすいと思います。

ダイオードの逆方向の特性
　PN接合ダイオードに逆方向の電圧をかけると、絶縁体に近くてほとんど電流は流れませんが、段々高くしていくと突然大きな電流が生じて破壊されてしまいます。これは「耐圧」を超えたからで、
　電力 = 電圧 × 電流
の関係により、電圧が高いと少ない電流でも大きな電力となり、破壊的なエネルギーを持ちます。

他方で、ダイオードを製造するときにわざと不純物をたくさん混ぜると、耐圧が低くなることが知られています。低い電圧では比較的大きな電流でも電力値は巨大にならないので、うまく設計すれば破壊することなく有益な使い方ができます。

定電圧回路への利用
　このような用途向けに製造されたダイオードは「ゼナー・ダイオード」と呼ばれ、逆方向の電圧をかけて使用します。

　ゼナー・ダイオードに図のように電圧Eを印加すると、抵抗Rにかかる電圧を差し引いた値が出力電圧Vとして得られます。そして、Rにかかる電圧はそのときの電流 I とRの積であり、Vとの関係をグラフに表すと傾きがRの直線となります。

　この直線とゼナー・ダイオードの特性曲線との交点から、実際の電流値が求められます。なぜなら、この回路では直線で表される式とダイオードの電流対電圧の関係が同時に満足されなければならないからです。

　図ではEの値として2つのサンプルを掲載していますが、Eがこれだけ変化しても出力電圧Vの値はほとんど変化しません。即ち、この回路では出力電圧がほぼ一定に保たれるので、「定電圧電源」として利用できるわけです。ゼナー・ダイオードの記号は、通常のダイオードの記号では矢印を受ける板状の部分を、 "Z" 字型に描くのが特徴です。

　PN接合の逆方向特性で注目すべき点として、コンデンサーになるということがあります。金属だけでなく、一般に導体が向き合えばコンデンサーになるのは珍しくないのですが、PN接合によるコンデンサーは電圧で容量が変化するという特徴を持っています。

なぜコンデンサーになるのか 　逆方向接続では、図のようにN側では自由電子が+極に引き寄せられて - 極に近いところでは空になっています。P側でも- 極から送られた電子は+極に近い部分の正孔を埋め、生きている正孔は - 極寄りの部分に限定されます。自由電子や正孔は電気を通す働きをしますが、これらは+- の電極に近い部分だけ残り、接合部分では「空乏層」というキャリア (電気を運ぶもの=自由電子や正孔) のない層ができます。空乏層は絶縁体の働きをするので、導体と導体が絶縁体をはさみ、コンデンサーを形成するわけです。

容量をコントロールする方法とは
　このコンデンサーの容量をコントロールするのは簡単です。逆方向電圧の値によって空乏層の厚さが変わり、同時に「導体」として働く自由電子と正孔の層の距離が変わることを利用すればよいのです。

　即ち、電圧が低いと空乏層が薄くなるので、コンデンサーとしての電極間距離が接近した状態となり、容量が大きくなります。反対に電圧を上げると、空乏層が厚くなるので容量が少なくなります。このように電圧によって容量が変えられることを利用したデバイスを、「可変容量ダイオード」と言います。

　可変容量ダイオードは、「バリキャップ」とか、「バラクタ」と呼ばれることがあります。

正方向でも低い電圧で導通しない理由 　PN接合ダイオードは正方向接続で導通するはずですが、印加する電圧が低いときは導通しません。シリコン・ダイオードでは、0.6Vくらいまで絶縁体のように反応します。これは、P型とN型の半導体が隣接しているところで、N型の持つ自由電子がP型の正孔に落ち込み、空乏層ができてしまうからです。 光が接合部に当たると 　しかし、光が接合部に当たると事態は一変します。光は非常に周波数の高い電磁波であり、電磁波とは+ - の電界が交互に入れ替わる性質を持つため、空乏層の電気を中和してP型領域に +、N型領域に - の電気を発生します。この電気は、電流として端子から取り出すことができます。

光発電効果を利用した半導体素子
　PN接合の光発電効果を利用した代表的なものとしては、太陽電池があげられます。太陽電池はPN接合を広い面積に分布させたものです。

　光をエネルギーとして利用するよりは「情報」を取得する用途に使われるフォト・ダイオードを大量に並べた例としては、デジタル・カメラのCCDなどがあります。

「段差」から光エネルギーを放出 　先に述べた空乏層の働きで、ダイオードには少しの正方向電圧を印加しただけでは電流は流れず、発光ダイオードであっても光を出しません。通常のシリコン・ダイオードの0.6Vに対して、発光ダイオードはその種類によって、赤外線用で1.4V、赤色、橙色、黄色、緑色用各2.1V、青色用3.5V、紫外線用4.5～6V程度の電圧を必要とします。 　即ち、空乏層を開放して自由電子と正孔を復元した後、自由電子の移動で正孔が埋まり、また復元するということを繰り返すことで振動し、発光します。しかもその周波数 (または波長) は発光ダイオードの種類により一定で、基本的には単色光となります。 　白色の発光ダイオードは、青色発光ダイオードの光で黄色の蛍光を誘起し、両者を混合して見た目に白色としているのが普通です。

青色発光ダイオード
　光の３原色のうち青を発色するダイオードについては、適当な材料がみつからず開発が遅れていましたが、当時日亜化学工業の中村修二氏が量産化に成功し、後に会社と成功報酬の支払いで対立したのは有名です。

　ただ、その材料である窒化ガリウムが高価なのに対し、東北大学金属材料研究所の川崎研究室で開発された酸化亜鉛による製法ではコストが 1/10 程度になるため、今後はこちらが主流になると見られています。

　ダイオードが一方向だけしか電流を通さないことを利用して、整流回路の出力電圧を倍にすることができます。

負の半サイクルの動作 　Eのグランド側がプラスのときは、D1が導通してC1 を充電します。C1 には図の極性で電気が蓄積されます。 正の半サイクルの動作 　Eのグランド側がマイナスに変わると、Eの電圧とC1の電圧が直列になり、それによる電流はD2を通過します。このときD1は逆方向なので通電しません。その結果、C2 は直列になった電圧、即ちC1に蓄積されていた電圧の倍の電圧で充電されます。ただし、それは出力端子に負荷が接続されていないという前提でのことです。

　倍電圧整流回路は大きな出力電流を取り出しにくい構造になっていますが、もとの電源から充分な電流が供給でき、コンデンサーの容量を充分に大きくとれれば実用になります。

　AMは「振幅変調」と呼ばれ、音声などの信号を電波 (または高周波電流) の強弱に変えて伝送する変調方式です。乗せる信号との対応は、プラスのとき電波が強くなり、マイナスのとき弱くなります。即ち、電圧値により、高いほど強く、低いほど弱くなります。変調波から元の音声などの信号を復元する動作を、「復調」と言います。

搬送波 　音声など乗せる信号がないときの電波 (または高周波電流) を「搬送波 (キャリア) 」と言います。「変調」は、搬送波を変形する動作です。 AM信号を復調する手順 　変調波形は、プラス・マイナスが対称なので、平均するとゼロになります。しかし、ダイオードを使ってプラスの部分だけを取り出すと、平均した電圧は電波が強い部分は高く、弱い部分は低くなり、音声などもとの信号の特徴を再現できます(検波)。 　そして、検波出力に含まれる電波の周波数の信号 (高周波) は、整流回路と同様にコンデンサーを使って「ならす」ことができます。実際は音声などの信号の周波数に比べて高周波の周波数ははるかに高いので、図の高周波分 (赤いところ) のピークを結んだ線が音声などもとの信号に対応します。 　高周波除去後の検波出力には、キャリアに対応する直流電圧と、音声などの信号とが混じっており、直流を除去すれば音声などもとの信号だけ取り出すことができます。

AMラジオへの応用 　図3-9-2はゲルマニューム・ダイオードを使用したラジオの例です。 　アンテナは、長い電線を屋外の高い位置で逆L型に浮かせるのが望ましいのですが、50pFのセラミック・コンデンサーに耐圧が250V以上のものを使用するなどして電灯線のコンセントに挿入する「電灯線アンテナ」も利用できます。電灯線アンテナの場合、プラグの端子2本のうち1本は外し、コンデンサーはプラグの中に配置します。そして、そこから引くケーブルに力がかかっても断線やショートして感電することのないよう注意深く取り付けます。

　L(コイル)は、バリコンの位置により中波では535～1,605[kHz]をカバーできるように、線を巻きます。ボビンは中空よりも、ダスト・コアー(圧粉鉄心) と呼ばれる鉄心を入れると巻き数が少なく小型化できます。多くの携帯型トランジスタ・ラジオでは、「パー・アンテナ」と呼ばれる長いコアーを使用して磁波をキャッチし、アンテナを兼用する設計にしています。

　ゲルマニューム・ダイオードは、1N60以外の製品でもたいがい使用可能です。この回路には直流を通過させる抵抗器や、高周波を除去するコンデンサーがありませんが、クリスタル・イヤーホン内部の該当成分で代替させ部品代を節約しています。

　3.6で述べたように、LEDは赤色の場合順方向でも2V程度など、ある程度の電圧をかけなければ点灯しません。また、高すぎる電圧をかけると壊れるので、適度の電圧を印加する必要があるわけです。ここでは、LEDを安全に点灯できる回路の設計について述べます。

比較的低い電圧での設計例 　電源電圧が6Vなど低い場合は、その値からLEDの2V程度を差し引いた値 (約4V) を図の抵抗器で負担することになります。LEDを電流2mAで点灯するとすれば、 　　4[V] ÷ 2[mA] = 2[kΩ] の抵抗器を使えばよいことになります。 　そして、E-12系列の抵抗を使用する場合、この例では2.2kΩを採用します。一般に、LED点灯回路の設計はシビアでないことが多く、抵抗値の許容範囲はかなり広くとれます。 　多くのLEDはこの程度の電流で点灯しますが、懐中電灯として使うようなLEDの場合は、もっと大きな電流が流せるように設計します。

交流100Vで点灯させる場合 　交流100Vの電源がオンであることを示す「パイロット・ランプ」のような使い方をする場合は、単に電流制限抵抗を入れるだけではLEDが破壊します。それは、交流の場合、負の半サイクルで逆方向の電圧がかかり、それがLEDの耐圧を超えてしまうからです。 　抵抗値は、100Vから2Vを差し引かなくても誤差は少ないので、 　　100[V] ÷ 2[mA] = 50[kΩ] と計算できます。E-24系列なら、51kΩです。