特殊ダイオード：ショットキー、トンネル、LED、レーザー、フォトダイオード、ソーラーセルの革新
ショットキーダイオード
ショットキーダイオードは金属-N接合デバイスで、ホットキャリアダイオードとも呼ばれます。極めて高速スイッチング、低逆回復時間、金属-Si接合で0.25–0.4 Vの順方向電圧降下、最小接合容量を提供します。回路記号は下図の通り。
利点と限界
- 標準整流器より低い順方向降下と逆回復時間 → 高周波回路に最適。
- パワー用途にはより高い逆ブレークダウン電圧と電流定格が必要；低電力スイッチングレギュレータに最適。
応用
- 高速コンピュータロジックと信号処理。
- 100 kHz以上のスイッチングレギュレータで、Siダイオードの0.7 V降下が電力浪費となる場合。
- 低電圧電源（例：1 V）で0.7 V降下が許容できない場合。
トンネル（エサキ）ダイオード
トンネルダイオードは共鳴トンネリングを利用し、順方向バイアス特性に負抵抗領域を生み出します。小さな順電圧印加で電流がピーク（IP）まで上昇、谷（IV）まで低下、再び上昇。ピークと谷での順電圧をそれぞれVP、VVと呼びます。
主要特性
- 極めて高濃度ドーピング（整流器の約1,000倍） → 薄い空乏層、低ブレークダウン電圧、高容量。
- 負抵抗領域は温度安定で、ショットキーダイオードを超える高速スイッチングを実現。
- 接合面積を小さくして容量を制限する必要あり。
典型的用途
- 高周波発振器（最大5 GHz）で、ダイオードの負抵抗がLCタンクを駆動。
- 特殊マイクロ波回路、初期衛星送信機（1960–70年代）。
発光ダイオード（LED）
発光原理
LEDは、PN接合で電子が正孔と再結合する際に光子を生成します。発光波長は半導体バンドギャップで決まり、一般的組み合わせにはGaAsP（赤）、GaN（青）、リン光変換青（白）があります。
電気発光と順方向電圧
- 順方向降下は1.6 V（赤外）から3 V以上（紫/UV）まで範囲。
- 典型動作電流：標準LEDで約20 mA；大型デバイスではより大電流。
- LEDのVfより高い電源から駆動する場合、電流制限用直列抵抗が必要。
例：6 V電源と1.6 V LEDで、220 Ω抵抗が4.4 Vを20 mAで降下、88 mW消費。
複数LED
- 並列ストリングには個別の電流制限抵抗が必要。
- 直列ストリングは単一抵抗で共有可能だが、電源が合計Vfを支える必要あり。
- 直並列構成で効率と輝度をバランス。
逆バイアス保護
LEDは逆ブレークダウン電圧が低い（約5 V）。AC駆動時、逆並列ダイオードまたはLEDで保護。AC半サイクルごとに逆方向の2 LEDが点灯。
仕様表
| LED | λ (nm) | Vf (from) | Vf (to) |
|---|---|---|---|
| 赤外 | 940 | 1.2 | 1.7 |
| 赤 | 660 | 1.5 | 2.4 |
| 橙 | 602–620 | 2.1 | 2.2 |
| 黄、緑 | 560–595 | 1.7 | 2.8 |
| 白、青、紫 | - | 3 | 4 |
| 紫外 | 370 | 4.2 | 4.8 |
LED vs 白熱電球
- LEDは白熱電球の3倍以上のルーメン/ワットを実現。
- 長寿命（100,000 h vs 1,000 h）。
- 高速スイッチングで光データ伝送可能。
- 単色出力をリン光やRGB混合で白色LEDに。
効率と寿命比較
| ランプタイプ | ルーメン/ワット | 寿命 (h) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 白色LED | 35 | 100,000 | 高コスト |
| 白色LED、将来 | 100 | 100,000 | R&D目標 |
| 白熱電球 | 12 | 1,000 | 安価 |
| ハロゲン | 15–17 | 2,000 | 高品質光 |
| コンパクト蛍光灯 | 50–100 | 10,000 | コスト効率良 |
| 低圧ナトリウム蒸気 | 70–200 | 20,000 | 屋外 |
| 水銀蒸気 | 13–48 | 18,000 | 屋外 |
レーザーダイオード
レーザーダイオードはLED技術に光学共振器を組み込み、コヒーレントな単色光を生成。すべての光子が同一周波数と位相を持つため、レーザー光は長距離で高度に集束したままです。
レーザーダイオード用途：
- 測量と測距（直進・非拡散ビーム）。
- 光学ストレージ（CD/DVD/Blu-ray）。
- 光ファイバー通信。
動作モード：
- 連続波：狭い電流ウィンドウ内で電流制御回路が必要。
- パルス：高出力短パルス、高出力デバイスで常用。
フォトダイオード
フォトダイオードは、入射光に応答して電流を生成するよう最適化されています。Siが最も一般的ですが、GeやGaAsも使用されます。浅いP層により、大部分の光子が電子-正孔対生成領域である空乏層に到達します。
主要動作モード：
- 光起電力（PV）モード：小出力、100 kHz以下で低ノイズ。
- 光電流（PC）モード：逆バイアスまたはゼロバイアス；電流が光強度に比例、高速応用に最適。
PINフォトダイオード
PとN領域間に真性層を持つPINダイオードは、容量低減、高速化（最大数十GHz）、受光体積拡大を実現。
アバランシェフォトダイオード（APD）
APDは高逆バイアス（10–2,000 V）を印加し、衝撃電離で光電流を増幅。高利得だがノイズとコストも高く、単一光子計数などニッチな高速・微弱光用途に適する。
ソーラーセル
ソーラーセルは太陽光を電力に変換し、光起電力モードで動作。効率、コスト、用途でトレードオフのある複数形態が存在。
単結晶Siセル
溶融Siから単結晶ブールを引き上げ、ウェハーにスライス製造。ウェハー表面にN型拡散層形成、テクスチャード前面で光トラップ。バックコンタクト設計（例：SunPowerの21.5%セル）で有効面積と効率向上。
多結晶Siセル
溶融Siをブロックに鋳造し、複数大結晶で固化。粒界で効率低下だが、反射防止膜で損失軽減。ほとんどの地上設置に適する。
三重層（マルチジャンクション）セル
バンドギャップをUV（GaInP、1.8 eV）、近赤外（GaAs、1.4 eV）、遠赤外（Ge、0.7 eV）に調整した積層または単一構造層が光を順次吸収。電流整合で電圧合計約2.7 V。商用宇宙用セルで32%効率達成；地上版は集光型で40.7%を目標。
プロセス例：金属有機CVDでGaInP、GaAs、Ge層をGe基板上に堆積、各々が指定スペクトル帯を吸収。
薄膜代替案
- アモルファスSi：最大効率約13%、経年劣化後5–7%、弱光で優れ、電卓用途。
- テルル化カドミウム（CdTe）：約16%効率、低コスト基板（ガラス或金属）。
- インジウムガリウムセレン化銅（CIGS）：約18%効率、柔軟ポリマーロールツーロール製造。
- 有機ポリマーセル：約4.5%効率、研究段階。
性能まとめ
| セルタイプ | 最大効率 | 実用効率 | 備考 |
|---|---|---|---|
| Si単結晶（商用） | 24% | 14–17% | $5–$10/ピークW |
| Si単結晶（宇宙） | 25% | — | 高コスト |
| 三重接合（宇宙） | 32% | — | 宇宙用途で標準 |
| 三重接合（地上） | — | 40.7% | 集光型ベース |
| CdTe（多結晶） | 16% | — | ガラス或金属 |
| CIGS（多結晶） | 18% | 10% | 柔軟ポリマー |
| アモルファスSi | 13% | 5–7% | 日光で劣化 |
重要なポイント
- ショットキーダイオードは高周波・低電力スイッチングに優れる。
- トンネルダイオードはマイクロ波発振器向け超高速負抵抗を提供。
- LEDとレーザーダイオードが照明と通信向けに効率的・制御可能な光を提供。
- フォトダイオード、特にPINとAPDタイプが光リンクでの高感度光検出を実現。
- ソーラーセル技術は単結晶、多結晶、マルチジャンクション、薄膜にわたり、各々が効率、コスト、用途ニッチでバランス。
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