令和4年度第三種電気主任技術者下期試験　理論科目 問110 解説 問11 大問11

正解は、（ア）逆方向、（イ）逆方向、（ウ）順方向 です。

可変容量ダイオード（バラクタ）の動作原理

可変容量ダイオードは、その名の通り、印加する電圧によって静電容量が変化するダイオードです。この特性は、pn 接合に逆方向電圧を印加することで実現されます。

pn 接合には、p型半導体とn型半導体を接合した際に自然に形成される空乏層があります。この空乏層は、電荷を持たない絶縁層のような働きをします。可変容量ダイオードでは、pn 接合に逆方向電圧を印加すると、空乏層が広がります。空乏層が広がるということは、絶縁層の厚みが増すことに相当します。コンデンサの静電容量は、電極面積と誘電率に比例し、電極間距離（絶縁層の厚み）の二乗に反比例するため、空乏層が広がると静電容量は減少します。逆に、逆方向電圧を小さくすると、空乏層は狭まり、静電容量は増加します。

この電圧によって静電容量が変化する性質は、ラジオなどの通信機器における同調回路で利用されます。同調回路は、特定の周波数の信号を選択する役割を果たしますが、可変容量ダイオードの容量を変化させることで、受信したい周波数を容易に切り替えることができるのです。

定電圧ダイオード（ゼナーダイオード）の動作原理

定電圧ダイオードは、pn 接合に逆方向電圧を印加し、ある電圧（降伏電圧）を超えると、流れる電流が変化しても接合両端の電圧がほぼ一定に保たれるという性質（降伏現象）を利用したダイオードです。

pn 接合に逆方向電圧を加えていくと、ある一定の電圧（降伏電圧）で急激に大きな電流が流れるようになります。この降伏現象には、主に「ツェナー降伏」と「なだれ降伏」がありますが、いずれも降伏電圧付近では、電圧の変化に対して電流が大きく変動しても、電圧自体はほぼ一定に保たれます。定電圧ダイオードは、この降伏現象を利用して、所定の一定電圧を発生させるために作られています。

レーザダイオードの動作原理

レーザダイオードは、光通信や光情報機器などで利用される光源です。レーザダイオードでは、pn 接合に順方向電圧を加えて使用します。

pn 接合に順方向電圧を印加すると、p領域からn領域へ、またはn領域からp領域へキャリア（電子と正孔）が注入されます。レーザダイオードの場合、この順方向電流を流すことによって、pn 接合部分に注入された電子と正孔が再結合する際に、光を放出します。特に、特定の構造を持つレーザダイオードでは、この放出される光がレーザ発振し、指向性や単色性に優れたレーザ光となります。

各空欄に当てはまる選択肢の判断

• (ア) 可変容量ダイオード: 同調回路に用いられ、電圧によって静電容量を変化させるためには、pn 接合に 逆方向電圧を印加して空乏層の幅を制御する必要があります。
• (イ) 定電圧ダイオード: 降伏現象を利用して定電圧を得るためには、pn 接合に 逆方向電圧を印加し、降伏電圧付近で動作させる必要があります。
• (ウ) レーザダイオード: 光源として機能し、順方向電流によって光を発生させるためには、pn 接合に 順方向電圧を印加する必要があります。

これらの判断から、空欄（ア）～（ウ）に当てはまる組合せは、「逆方向」「逆方向」「順方向」となります。

参考リンク

• バラクタダイオードとは？原理・種類・用途をわかりやすく解説
• ゼナーダイオードとは？原理・特徴・用途を解説
• レーザダイオードの原理

可変容量ダイオード、定電圧ダイオード、レーザダイオードのそれぞれの動作原理におけるpn接合への電圧印加の向きを、空欄の箇所に当てはめて考えてみましょう。