ダイオードと整流器：基礎、動作、主要パラメータ

ダイオードは、電流を一方向のみ低抵抗で流し、逆方向を遮断する半導体デバイスです。現代の回路設計では、「ダイオード」は通常、1 Aまでの小信号デバイスを指します。より大電流（1 A以上）を扱うデバイスは一般的に整流器と呼ばれます。

半導体ダイオードは回路図で、線に向かう三角形の特徴的な記号で表されます。三角形がアノード（P型側）、線がカソード（N型側）を表します。下図を参照してください。

単純な電池-ランプ回路に挿入すると、印加電圧の極性に応じてダイオードがランプへの電流を許可または遮断します（下図参照）。

図は2つのシナリオを示します：(a) 順方向バイアス、電流が流れる；(b) 逆方向バイアス、電流が遮断される。順方向バイアスダイオードは閉スイッチのように、逆方向バイアスダイオードは開スイッチのように振る舞います。

慣習により、ダイオード記号の矢印は従来電流の流れる方向を指します。電子流を考慮する場合、電流方向は矢印と逆になります。

ダイオードの振る舞いは、流体を一方向のみ通す油圧チェックバルブに例えられます。下図はバルブの2状態を示します。

チェックバルブは下流側圧力が上流側を超えると開き、そうでなければ閉じます。同様に、ダイオードは両端電圧極性が正しければ電流を流し、逆なら遮断します。

電池-ダイオード-ランプ回路では、各部品の電圧降下がバイアスに応じて変化します。下図は電圧分配を示します。

ダイオードが順方向バイアスされると、伝導し、小さな電圧降下——典型的にSiダイオードで約0.7 V、Geダイオードで0.3 V——を示し、電源電圧の大部分が負荷にかかります。逆バイアスでは、ダイオードはほぼ全電流を遮断し、実質的に電源電圧全体がダイオードにかかります。

順方向電圧降下は、十分な印加電圧でP-N接合の空乏層が崩壊することに起因します。印加電圧なしでは薄い空乏層が存在し、伝導を阻止します（図参照）。

回路記号（下図）は実物と一致：アノードは三角形の先端（P型）、カソードは線（N型）に対応。

逆電圧印加で空乏層が拡大し、抵抗が増大して実質的に電流を遮断します。下図は逆バイアス下の拡大空乏層を示します。

順方向電圧が上昇すると、空乏層が薄くなり崩壊し、有意な電流が流れ始めます。この閾値を順方向電圧と呼びます。Siダイオードで典型的に0.7 V、Geで0.3 V。この値は接合の材料組成で決まり、広い順方向電流範囲でほぼ一定——回路解析を簡素化します。

ダイオードの電流-電圧の厳密な関係はショックレーのダイオード方程式で表されます：

ここで、kT/qは熱電圧（室温で約26 mV）。非理想性因子1の場合、式は簡略化されます：

入門解析では順方向電圧を定数扱いすることが多いですが、温度センサや精密整流器のようにこの指数関係を利用する回路では、方程式の指数的性質を理解することが不可欠です。

逆バイアスではダイオードは電流を遮断しますが、微小なリーク電流が流れます——ほとんどの用途では無視可能。逆電圧がダイオードの規定限度を超えると、破壊的ブレークダウンが起こり得ます。許容最大逆電圧をピーク逆電圧（PIV）と呼び、温度によって変化：温度上昇で増大、冷却で減少します。

典型的な整流ダイオードは室温でPIV 50 V以上、特殊デバイスでは数キロボルトに達します。