ダイオードとは？ PN接合はなぜ電流を一方向にしか通さないのか

ダイオード（diode）とは、電流をおおむね一方向にだけ流す部品です。片側から押すと電流が通り、反対側から押すとほとんど通りません。中心にあるのはPN接合、つまりp型とn型の2種類の半導体がつながった境目です。交流を直流に変えること、発光ダイオード（LED）、太陽電池、チップのピンの横にある静電気の保護は、どれもこの境目を使っています。

ダイオードとは？ なぜ「おおむね」なのか

ダイオードの端子は2つだけです。p型の側をアノード、n型の側をカソードといいます。回路図では、三角形が短い棒に突き当たった形でかかれ、三角形の先が電流の通れる向きです。

よくあるたとえは、水道管の逆止弁です。正しい向きに押すと弁が開き、逆向きに押すと弁が閉じます。「おおむね」と言うのは、理由が3つあるからです。正しい向きでも、まずしきい値を越えなければなりません。逆向きでも、ごくわずかな電流は漏れます。逆向きに強く押しすぎると、止めきれなくなります。

PN接合とは？ 境目に、なぜ空いた帯ができるのか

おさらいです。n型は、シリコンの中に動ける電子が多い状態です。p型は、空席がたくさんある状態で、この空席を正孔と呼び、動くプラスの電気と考えることができます。どちらも全体としては帯電していません（くわしくは「ドーピングとは？」へ）。2つをくっつけると、境目の近くで次のことが順に起きます。

1. 少ないほうへ広がる：n側は電子が多いので、電子はp側へ広がっていきます。正孔は逆にn側へ広がります。水に落としたインクが濃いところから薄いところへ広がるのと同じで、これを拡散といいます。
2. 出会うと打ち消し合う：電子が正孔に出会うと空席を埋め、どちらももう動けなくなります。
3. 動けない電気が残る：加えた原子は、シリコンの結晶の中に固定されています。境目に近いn側では、リンの原子が余分な電子を手放してプラスに、p側では、ホウ素の原子が電子を1つ多く受け取ってマイナスになります。プラスとマイナスのあいだに電界ができ、あとから渡ろうとする電子を押し戻します。
4. つり合って止まる：広がろうとする力と押し戻す力がつり合います。境目の両側には、動ける電子も正孔もほとんどない帯が残ります。これを空乏層（depletion region）といいます。

空乏層は、境目にある坂だと考えてください。電子はいつもばらばらに動き回っていて、坂をのぼって向こう側へ行けるのは、エネルギーの大きいごく一部だけです。坂が高いほど、越えられる電子は少なくなります。

順方向につなぐと、逆方向につなぐと、どうなる？

両端に電池をつなぐと、この坂が低くなったり高くなったりします。

• 順方向バイアス（p側をプラス、n側をマイナス）：電子も正孔も境目へ押され、空乏層が狭くなって坂が下がり、越えられる電子が一気に増えます。シリコンのダイオードは、1ボルトに満たない電圧で、目立って電流が流れはじめます。そのしきい値を越えると、電圧が少し上がるだけで電流が大きく増えます。
• 逆方向バイアス（p側をマイナス、n側をプラス）：電子と正孔は境目から引き離され、空乏層が広がって坂が高くなり、ごくわずかな電流しか漏れません。
• 逆向きに押しすぎると降伏する：電流が急に増え、ふつうのダイオードは熱で壊れることがあります。

ダイオードは何に使われる？

整流：交流を直流に変える最初のステップ

コンセントの交流は、電流が1秒に50〜60回行ったり来たりします。でも、スマートフォンやパソコンの回路が必要とするのは、向きが変わらない直流です。整流は次の順に行います。

1. ダイオード1つで、逆向きの半分を止める：止めないと、電流がプラスになったりマイナスになったりして、直流が必要な回路では使えません。ただし残るのは半分だけで、電流はとぎれとぎれです。
2. 4つを輪のように並べる（ブリッジ整流）：電流が一方へ流れるときは2つを通り、反対へ流れるときは残りの2つを通って、どちらも同じ向きに出ていきます。こうしないと、半分の時間は電気を送れません。
3. コンデンサをつないで、波をならす：コンデンサは小さな給水塔のようなもので、電圧が高いときにためて、低いときに出します。つながないと電圧が上下して、後ろの回路が安定しません。

そのあと、スマートフォンに必要な数ボルトまで下げる必要があります。その部分は「パワー半導体とは？」へ。

保護：逆につないだ電気を止め、急に来た電気を逃がす

• 逆接続の保護：電源の後ろにダイオードを直列に入れておくと、電池を逆に入れたときは逆方向になって電流を止めるので、部品が焼けません。そのかわり、ふだんはダイオード自身が1ボルト足らずの電圧を使ってしまいます。
• チップのピンの横にある静電気の保護：よくある方法の1つは、ピンの横にダイオードを2つ置き、1つを電源線に、もう1つをグラウンド線につなぐことです。ふだんはピンの電圧が2つのあいだにあるので、どちらも逆方向で、信号には影響しません。電源より高い電圧やグラウンドより低い電圧が急に来ると、どちらかが順方向になって電気を逃がします（チップが静電気に弱い理由は「静電気放電（ESD）とは？」へ）。

発光ダイオード（LED）：電子と正孔が出会うと光る

順方向に押すと、境目の近くで電子と正孔がたくさん出会って打ち消し合い、1組ごとに少しエネルギーを出します。シリコンでは、そのエネルギーはほとんど熱になります。一部の化合物半導体では、光として出てきます。光の色は材料のバンドギャップ、つまり電子が跳ばなければならない段差の高さで決まり、段差が高いほど青に近づきます（「ニュースの『ワイドバンドギャップ半導体』とは？」へ）。

光検出器と太陽電池：光を電気に変える

逆に、境目の近くに光が当たると、原子のあいだに縛られていた電子が1つ飛び出し、あとに正孔が1つ残ります。空乏層の中にもともとある電界が、電子をn側へ、正孔をp側へ押し分けます。分けられなければ、すぐにまた打ち消し合ってしまいます。両側にそれぞれ少し電気がたまり、外に線をつなぐと電流が流れます。

光検出器（フォトダイオードともいいます）には、ふつう逆方向の電圧をかけておき、流れる電流の大きさで光の強さを測ります。「ニュースの『シリコンフォトニクス』とは？」に出てくる、光を電気に戻す部品がしているのも、このことです。太陽電池は電圧をかけず、光をそのまま電気に変えて送り出します。とても面積の大きいフォトダイオードだと考えることができます。

トランジスタの中にもPN接合はある？

あります。それも、あちこちにあります。よくある種類のトランジスタでは、ソースとドレインがn型、その下の大きなかたまりがp型なので、両端と下のシリコンのあいだがそれぞれPN接合です。こうした部分は、工場ではおもにイオン注入でつくります。回路は、これらの接合が順方向にならないようにつながれているので、ゲートに電圧がかかっていないあいだは電流が通りません。ゲートがどうやってオンにするかは「トランジスタとは？」へ。

チップは、PN接合でどうやって分けている？

CMOSのチップは、同じシリコンの上にp型とn型の2種類の「土台」が必要で、これをウェルといいます（「CMOSとは？」へ）。p型の土台はいちばん低い電圧（グラウンド）に、n型のウェルはいちばん高い電圧（電源）につなぐので、そのあいだのPN接合はいつも逆方向です。空乏層が壁のように、領域どうしを分けます。トランジスタとトランジスタのあいだの表面は、別に浅い溝を掘って絶縁物で埋めて分けます（「STI（シャロートレンチアイソレーション）とは？」へ）。

fab24hrでは

fab24hrに単体のダイオードは出てきません。いちばん近いのは、会話の中で押せる「接合」です。シリコンに打ち込んだ原子が集まった層と、その下のシリコンとの境目のことです。打ち込んだ原子と下のシリコンが逆の型なら、この境目はPN接合です。

「工場の一日」で、開発ラインの拡散炉の開発プロセスエンジニアになってみてください。「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「開発ライン」を押し、左右にスワイプして開発プロセスエンジニアで止め、名前の下の「拡散炉」を押します。昼シフトはウェーハ投入から10日目です。イオン注入後のテスト用ウェーハを3種類の条件でアニールし、シャオウェンが2つ測りました。シート抵抗は原子が電気を通しはじめたか、接合の深さは原子が下へどこまで動いたかを見ます。温度が高く、時間が長いほど活性化はよくなりますが、原子も遠くへ動きます。これが熱履歴です。ゲームには、Glowmereは電圧がとても低く、接合が深すぎると短いトランジスタがしっかり切れず、待機中にリークする、と書かれています。中くらいの温度にするか、量産工場と同じ高温・長時間にするかを選びます。高温のほうを選ぶと、少しあとでシャオウェンがショートチャネルのテスト構造も測り、リークが予想より多いとわかります。

ゲームに出てくる会社、チップ「Glowmere」、人物、装置、数字は架空です。PN接合とダイオードのしくみは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。