ダイオード

自転車のタイヤに空気を入れるときの、ゴムのバルブを思い浮かべてみてください。ポンプで空気を押し込むときはバルブがすっと開きますが、ポンプをやめると、タイヤの中の空気が外へ漏れないようにバルブがしっかり閉じますよね。

ダイオードも、複雑な電子回路の中でまさにこのバルブと同じ働きをします。電気が決まった正しい向きから入ってくるとドアを大きく開けてスムーズに通し、逆向きに流れ込もうとすると通路を固く閉ざして、電気をほとんど流しません。ただし、ごくわずかな漏れ電流は残りますし、逆向きの電圧が大きすぎると壁が破れてしまうこともあります。

このように電気がよく流れる向きを順方向接続と呼び、電気がぴたりと止まる反対の向きを逆方向接続と呼びます。乾電池を逆向きに入れてしまっても壊れない電子機器があるのは、ダイオードのような保護回路が逆向きの電気をせき止めているからです。

ダイオードが電気を一方向にしか通さない秘密は、性質の違う2つの半導体の出会いにあります。電子が足りなくてプラス(+)の性質を帯びた「空席」(正孔)がたっぷりあるP型半導体と、自由に動き回るマイナス(-)の電子があふれているN型半導体を、ぴったり貼り合わせて作ります。

この状態で順方向に電圧をかけると、P型の空席とN型の電子が、真ん中の境目に向かって勢いよく突き進みます。2つが真ん中で出会って手をつなぐことで、ついに電気がすいすい流れる通り道がぱっと開きます。

ところが逆方向に電圧をかけると、まったく様子が変わります。電子も空席も真ん中を見捨てるように、両端の外側へ引っ張られていってしまうのです。その結果、2つの半導体の境目には何もない空っぽの崖のような壁(空乏層)が厚く生まれ、電流の流れを鉄壁のようにさえぎります。

もう少し正確に言うと、ダイオードは逆流を防ぐ盾の役目だけにとどまりません。家庭のコンセントから来る電気は、向きが1秒間に100回以上も入れ替わる交流(AC)ですが、精密な電子製品は、一方向におとなしく流れる直流(DC)の電気を必要とします。そこでダイオードを通すと、片方向の電気だけを選び出して、一方向に流れる電気に変えられます。これをなめらかな直流に整えるには、コンデンサーのような部品もいっしょに使います。この働きを交流を直流に変える整流作用と呼びます。

さらにダイオードは、光をつくるのにも使われます。電子と空席が結びつくときに生まれる余分なエネルギーを、まぶしい光として放つように設計した部品が、私たちが毎日目にするLED(発光ダイオード)です。

逆に、外から光を当てると自ら電気をつくり出すフォトダイオードは、環境にやさしい太陽光発電パネルやスマートフォンのカメラセンサーの基本原理として、広く活用されています。