真空ダイオードとは何か
真空二極管とは？
真空二極管の定義
真空二極管は、カソードとアノードという2つの電極間の高真空で電流を制御する電子デバイスの一種です。カソードは加熱時に電子を放出する材料でコーティングされた金属シリンダーであり、アノードはカソードからの電子を集める中空の金属シリンダーです。真空二極管のシンボルは以下の通りです。
真空二極管は1904年にサー・ジョン・アンブローズ・フレミングによって発明され、フレミングバルブまたは熱電子バルブとしても知られています。これは最初の真空管であり、トライオード、テトロード、ペンタードなどの他の真空管デバイスの先駆けとなりました。これらは20世紀前半に広く電子工学で使用されました。真空二極管は、無線、テレビ、レーダー、音声録音および再生、長距離電話網、アナログおよび初期のデジタルコンピュータの開発に不可欠でした。
動作原理
真空二極管は、熱電子放出の原理に基づいて動作します。これは、加熱された金属表面から電子が放出される現象です。カソードが加熱されると、電子は真空に逃げます。アノードに正の電圧がかけられると、これらの電子が引き寄せられ、カソードからアノードへ一方方向に電流が流れます。
しかし、アノードに適用される正の電圧が十分でない場合、アノードはカソードから放出されたすべての電子を引き寄せることができません。その結果、一部の電子はカソードとアノードの間に蓄積し、空間荷電という負の電荷の雲を形成します。この空間荷電は、カソードからのさらなる電子放出を防ぎ、回路内の電流を減少させる障壁として機能します。
アノードとカソード間の適用電圧を徐々に増加させると、より多くの空間荷電電子がアノードに引き寄せられ、さらに放出された電子が通過できるスペースが作られます。したがって、アノードとカソード間の電圧を増加させることで、電子の放出率を増加させ、回路内の電流を増加させることができます。
ある時点で、アノード電圧によってすべての空間荷電が中和されると、カソードからの電子放出の障害はなくなります。すると、電子ビームがカソードからアノードを通じて自由に流れ始めます。その結果、電流は最大値でアノードからカソードへ流れ、これはカソードの温度のみに依存します。これを飽和電流と呼びます。
一方、アノードがカソードに対して負になる場合、アノードは冷たく、熱くないので電子放出はありません。そのため、加熱されたカソードから放出された電子は、負のアノードによる反発によりアノードに到達しません。強力な空間荷電がアノードとカソードの間に蓄積されます。この空間荷電により、さらに放出された電子はカソードに押し戻され、電子放出は起こりません。したがって、回路には電流が流れません。従って、真空二極管はカソードからアノードへの一方方向にのみ電流を流します。
アノードに電圧が適用されない場合、理想的には電流は流れません。しかし、電子の速度の統計的変動により、一部の電子はアノードに到達します。この小さな電流をスプラッシュ電流と呼びます。
V-I特性
真空二極管のV-I特性は、アノードとカソード間の適用電圧（V）と回路を流れる電流（I）の関係を示します。真空二極管のV-I特性は以下の通りです。
空間荷電の大きさは、カソードが放出する電子の数に依存し、これはカソードの温度と仕事関数によって影響を受けます。仕事関数は、金属から電子を取り除くために必要な最小エネルギーです。仕事関数が低い金属は、電子を放出するために少ない熱を必要とするため、この目的には効率的です。
この特性領域は飽和領域と呼ばれ、図に示されています。飽和電流はアノード電圧に依存せず、カソードの温度のみに依存します。
アノードに電圧が適用されない場合、理論的には回路には電流が流れませんが、実際には電子の速度の統計的変動により、わずかな電流が流れます。一部の電子は、アノードに電圧がない場合でもアノードに到達するのに十分なエネルギーを持っています。この現象によって生じる小さな電流をスプラッシュ電流と呼びます。
真空二極管の種類
整流ダイオード
検出ダイオード
ジーナダイオード
バリアクターダイオード
ショットキダイオード
真空二極管の応用
高出力アプリケーション
高周波アプリケーション
高温アプリケーション
オーディオアプリケーション
結論
真空二極管は、カソードとアノードという2つの電極間の高真空で電流を制御する電子デバイスの一種です。カソードはフィラメントや間接ヒーターによって加熱されると電子を放出し、アノードはカソードからの電子を集めます。真空二極管は熱電子放出の原理に基づいて動作し、カソードからアノードへの一方方向にのみ電流を流します。
真空二極管は1904年にサー・ジョン・アンブローズ・フレミングによって発明され、20世紀前半に広く電子工学で使用されました。無線、テレビ、レーダー、音声録音および再生、長距離電話網、アナログおよび初期のデジタルコンピュータの開発に不可欠でした。真空二極管は、小型化、低消費電力、高信頼性、低コストなどの理由から、半導体ダイオードに置き換えられましたが、高電力、高周波、高温、オーディオなどの分野では依然として使用されています。
真空二極管は、周波数範囲、電力評価、カソード/フィラメントタイプ、応用、特殊パラメータ、特殊機能など、さまざまな基準で分類することができます。いくつかの真空二極管の種類の例としては、整流ダイオード、検出ダイオード、ジーナダイオード、バリアクターダイオード、ショットキダイオードがあります。
真空二極管は単純ですが重要なデバイスであり、電子技術の歴史と発展において重要な役割を果たしてきました。今日でも、その独特の特性と性能が必要とされる特定のアプリケーションでは依然として重要です。真空二極管は、真空管の可能性と潜在能力を探求した電子技術者や科学者の独創性と革新性の証です。
