電験三種 令和4年度下期 理論 問11｜電磁気・回路理論

3種類のダイオードを，pn接合に順方向・逆方向のどちらの電圧を加えて使うかで整理する問題です（令和4年度下期 問11）。

可変容量ダイオードは逆方向電圧を加え，電圧の大きさで空乏層の幅を変えて静電容量を変えます（(ｱ)逆方向）。

定電圧ダイオードは逆方向電圧を大きくしたときの降伏現象を利用します（(ｲ)逆方向）。

レーザダイオードは順方向電圧を加えて電流を流し，接合部で電子と正孔が再結合するときに光を出します（(ｳ)順方向）。正答は(5)です。

【(ｱ) 可変容量ダイオード：逆方向】

pn接合に逆方向電圧を加えると，接合部の空乏層（キャリアがほとんどない層）が広がります。空乏層は絶縁体のように働き，両側のp形・n形領域を電極とするコンデンサになります。逆方向電圧を大きくすると空乏層が厚くなり，静電容量は小さくなります。電圧で静電容量を変えられるので，同調回路の周波数を電圧で調整できます。順方向に電圧を加えると電流が流れてしまい，コンデンサとして使えません。

【(ｲ) 定電圧ダイオード：逆方向】

逆方向電圧を大きくしていくと，ある電圧で急に大きな電流が流れ始めます（降伏現象）。降伏電圧付近では，電流が変わっても電圧がほぼ一定に保たれるので，これを定電圧源として使います。ツェナーダイオードとも呼ばれます。

【(ｳ) レーザダイオード：順方向】

順方向電圧を加えると，n形から電子が，p形から正孔が接合部に注入され，再結合するときに光を放出します。注入電流を大きくすると誘導放出が起こり，位相のそろったレーザ光が得られます。発光ダイオードと同じく順方向で使います。

組合せは 逆方向・逆方向・順方向 で，正答は(5)です。

【逆方向で使うか順方向で使うかの考え方】

ダイオードの用途は，「電流を流して働かせるもの」と「電流をほとんど流さずに接合の性質を使うもの」に分けると整理できます。

・順方向で使う：整流ダイオード（導通時），発光ダイオード，レーザダイオード。キャリアの注入と再結合を利用します。

・逆方向で使う：可変容量ダイオード，定電圧ダイオード，ホトダイオード。空乏層の性質や降伏現象，光で生じたキャリアを利用します。

本問の(ｳ)だけが順方向なのは，発光にはキャリアの注入が必要だからです。

【可変容量ダイオードの容量変化】

空乏層の幅wは，逆方向電圧が大きいほど広がり，静電容量は平行平板コンデンサと同じく C∝1/w で小さくなります。同調回路の共振周波数は f＝1/(2π√(LC)) なので，加える直流電圧を変えるとCが変わり，受信する周波数を電圧で選べます。バリキャップ，バラクタダイオードとも呼ばれます。

【降伏現象の二つのしくみ】

定電圧ダイオードの降伏には，強い電界で電子が直接接合を通り抜けるツェナー降伏と，加速されたキャリアが衝突で次々と新しいキャリアを生むなだれ降伏があります。不純物濃度を変えると降伏電圧を設計でき，さまざまな定格電圧の定電圧ダイオードが作られています。回路では電流制限用の抵抗と組み合わせ，負荷と並列に接続して使います。

【誤りの選択肢の作られ方】

(1)(4)は(ｲ)を順方向としていますが，順方向では電圧を上げると電流が増え続けるだけで降伏現象は起きません。(2)(4)は(ｱ)を順方向としていて，電流が流れてしまうので容量素子として使えません。(1)(3)(4)は(ｳ)を逆方向としていますが，逆方向ではキャリアの注入がないので発光しません。

【関連する出題パターン】

・ホトダイオード，太陽電池，発光ダイオードの動作原理を問う問題

・定電圧ダイオードを使った回路の電流や電力を求める問題

・pn接合の空乏層・拡散電位の性質を問う正誤問題

ダイオードの種類ごとに「順方向か逆方向か」と「何を利用するか」をセットで覚えると対応できます。