ダイオード：電気の向きをそろえる

パワー半導体の回路で、電気の向きをそろえ、電流の逃げ道を作るダイオードを説明する。厚い層で電圧を受け止める構造、順方向で電子と正孔がたまる仕組み、切り替えのときの逆回復、粒をためないショットキーバリアダイオードの違いと使い分けを扱う。

ダイオードは、何をするか

ダイオードは、電気を一方向にだけ流す部品である。パワー半導体の回路では、主に二つの役目で働く。

一つは、交流を直流に変える整流である。もう一つは、電流の逃げ道を作ることである。コイルやモーターのような部品は、スイッチを切っても、流れていた電流を流し続けようとする。行き場がなければ、高い電圧が生じて、スイッチが壊れるおそれがある。そこで、電流が回り込める道をダイオードで作る。この使い方のダイオードを、還流ダイオードと呼ぶ。

順方向と逆方向

ダイオードは、pn接合でできている（「pn接合とダイオード」のページ）。順方向に電圧をかけると、電流が流れる。逆方向に電圧をかけると、接合の近くに空乏層が広がり、電流はほとんど流れない。

パワー半導体のダイオードで大切なのは、逆方向に高い電圧がかかっても、電流を通さずに持ちこたえることである。電圧に耐える仕組みは、後のページで詳しく学ぶ。

厚い層をはさむ構造

高い電圧に耐えるため、パワー用のpn接合のダイオードは、p型とn型のあいだに、ドーパントの少ない厚い層をはさんだ形をしている。逆方向の電圧は、この厚い層が受け止める。

ところが、この層は、ドーパントが少ないので、電気が流れにくい。そのままでは、順方向に電流を流すときの抵抗が大きくなる。

順方向で、抵抗が下がる仕組み

順方向に電圧をかけると、p型の側から正孔が、n型の側から電子が、厚い層へ流れ込む。層の中に、電子と正孔がたくさんたまるので、電気を運ぶ粒が増え、抵抗が大きく下がる。この働きを、伝導度変調と呼ぶ。この仕組みのおかげで、耐える電圧が高くても、順方向の損失を小さくできる。

切り替えのときの、逆回復

ただし、この仕組みには代償がある。順方向でたまった電子と正孔は、すぐには消えない。順方向から逆方向に切り替えると、たまった粒を追い出すまでの短い間、逆向きの電流が流れる。これを、逆回復と呼ぶ。

逆回復の電流は、切り替えの損失を増やし、ノイズの原因にもなる。そこで、結晶にわざと欠陥を作り、粒が消えるまでの時間を短くして、回復を速くする工夫がある。ただし、粒が早く消えるほど、順方向の抵抗は上がる。回復の速さと、順方向の損失は、引っ張り合いの関係にある。

ショットキーバリアダイオード

別の仕組みのダイオードもある。ショットキーバリアダイオードは、半導体と金属を接触させて、電気を一方向に流す。電気を運ぶのは、n型なら電子だけで、反対の種類の粒はたまらない。そのため、逆回復がほとんどなく、速く切り替えられる。

弱点は、シリコンでは、高い電圧に耐えにくいことと、逆向きに漏れる電流が比較的大きいことである。炭化ケイ素で作ると、高い電圧にも耐えられるようになり、速い切り替えと高い電圧を両立できる。

使い分けの考え方

比較的低い電圧で速く切り替えるなら、シリコンのショットキーバリアダイオードが向く。高い電圧で大きな電流を流すなら、シリコンのpn接合のダイオードで、回復を速くしたものが使われる。高い電圧で、しかも速く切り替えたいなら、炭化ケイ素のショットキーバリアダイオードが選ばれる。

順方向の電圧と、損失

ダイオードに順方向の電流を流すと、部品の両端に、わずかな電圧が生じる。これを、順方向の電圧と呼ぶ。電流が大きいほど、この電圧と電流の積である電力が、熱として失われる。ショットキーバリアダイオードは、この順方向の電圧が比較的小さい。大きな電流を流す整流の回路では、ダイオードの損失が、電源全体の効率を左右することもある。

ダイオードの損失は、順方向の損失と、逆回復を含む切り替えの損失に分けられる。部品を選ぶときは、回路で流す電流の大きさと、切り替えの速さの両方を見て、どちらの損失が大きいかを考える。

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