【ダイオード】順方向電圧の温度特性について

ダイオードはアノード(A)からカソード(K)に順電流I_Fを流すと、一定電圧だけ電圧が下がります。

この一定電圧のことを順方向電圧V_Fと呼びます。

今回はこの順方向電圧V_Fの温度特性について説明します。

ダイオードの順方向電圧の温度特性

ダイオードに順電流I_Fを流すと、一定電圧V_Fだけ電圧が下がります。

この一定電圧を順方向電圧V_Fと呼びます。

順方向電圧降下V_Fや順電圧V_Fと呼ぶ場合もあります。

ダイオードのデータシートには温度が25℃の時における順方向電圧V_Fが記載してあります。

一般的にシリコンダイオードの場合、温度が25℃の時、順方向電圧V_Fは0.6〜0.7Vとなります。

この順方向電圧V_Fですが、温度によって変化します。これを順方向電圧の温度特性と呼びます。

温度が1℃上昇すると、順方向電圧V_Fは約2mV減少します。

式で表すと以下のようになります。

\begin{eqnarray}
V_F=(0.6-0.7[V]) +(-2[mV]×温度変化[^\circ\mathrm{C}])
\end{eqnarray}

例えば、25℃の時の順方向電圧V_Fが0.7Vのダイオードを使用する場合を考えてみます。

このダイオードを50℃の環境(つまり+25℃)で使用する時には順方向電圧V_Fは
\begin{eqnarray}
V_F=0.7[V]+(-2[mV]×25[^\circ\mathrm{C}])=0.65[V]
\end{eqnarray}
となります。

逆に、0℃の環境(つまり−25℃)で使用する時には順方向電圧V_Fは
\begin{eqnarray}
V_F=0.7[V]+(-2[mV]×-25[^\circ\mathrm{C}])=0.75[V]
\end{eqnarray}
となります。

このように、順方向電圧V_Fは高温化では低く、低温化では高くなるのが特徴です。

また、25℃においての順方向電圧0.7Vは目安であり、ダイオード個々のバラツキによって±0.1℃程度上下します。

このバラツキはデータシートに記載されてない場合があります。この場合には、メーカーに問い合わせすると教えてもらえるので必要に応じて問い合わせしましょう。

例えば、ルネサスの「1S2076A」という型番のダイオードはデータシートを見ると以下のようになっています。「バラツキ」、「温度特性」、「順電流I_F-順方向電圧V_F特性」が記載されています。

自己発熱によっても順方向電圧は変化するので注意

先ほどは、温度が50℃、0℃の時の順方向電圧V_Fを計算しました。

しかし、順方向電圧V_Fの温度特性は周囲の温度だけでなく、ダイオード自体の自己発熱によっても影響します。

先ほど紹介したルネサスの「1S2076A」という型番のダイオードにおいて順電流I_Fが100mA流れた場合の自己発熱による温度上昇ΔTを計算してみます。

順電流I_F=100mAの時、順方向電圧V_Fは0.8Vとなっています。

この時、「1S2076A」が消費する電力P_LOSSは、
\begin{eqnarray}
P_{LOSS}=I_F×V_F=100[mA]×0.8[V]=80[mW]
\end{eqnarray}
となります。

一方、「1S2076A」は許容損失Pdが250[mW]、接合部温度Tjの絶対最大定格が175[℃]なので、熱抵抗Rth(j-c)は、
\begin{eqnarray}
R_{th(j-c)}=\displaystyle\frac{Tj-25[^\circ\mathrm{C}]}{Pd}=600[^\circ\mathrm{C}/W]
\end{eqnarray}
となります。

以上より、順電流I_Fが100mA流れた場合の自己発熱による温度上昇ΔTは、
\begin{eqnarray}
ΔT=R_{th(j-c)}×P_{LOSS}=600[℃/W]×80[mW]=48[^\circ\mathrm{C}]
\end{eqnarray}
となります。

このようにダイオードに電流が流れることで、温度上昇ΔTが生じます。

例えば、電源ONしてダイオードに電流が流れ始めると、自己発熱によって温度が徐々に上昇し、順方向電圧V_Fは少しずつ低下します。

順方向電圧V_Fが低下することで、消費電力P_LOSSも少なくなります。そのため、最終的にある温度で飽和して落ち着きます。

ダイオードの順方向電圧V_Fを利用するような回路においては、ダイオードの自己発熱による順方向電圧V_Fの変化も考慮する必要があります。