【完全図解】ダイオードのVf（順方向電圧降下）とは?｜0.7Vの正体と損失計算

こんにちは、シラスです。前の記事でデータシートの5大パラメータを学んだ田中さん。今日はその中のV_F（順方向電圧降下）だけを深掘りします。

先に結論を言います。V_Fとは「ダイオードに電気を通すときに発生する電圧の損失」のこと。シリコンなら約0.7V、ショットキーなら約0.3Vです。そして、この値が発熱量・効率・LEDの明るさ・電源回路の出力電圧すべてを左右します。

この記事では、V_Fを「高速道路の通行料」に例えて完全図解します。読み終わる頃には、なぜ0.7Vなのか、なぜショットキーが速いのか、LEDの抵抗計算がなぜ「電源 − V_F」なのか、すべて自分の言葉で説明できるようになります。

V_Fとは「電気を通すときに支払う通行料」

まずV_FのFはForward（順方向）の頭文字です。「ダイオードを順方向にONしたときに発生する電圧の損失」を表します。

高速道路の通行料と同じ仕組み

高速道路に乗ると、必ず通行料を取られますよね。財布から1000円札を出して入ると、出口では手元に残るお金が少なくなっています。ダイオードも全く同じで、電気を通すときに「通行料」として電圧を一定量だけ消費します。

なぜシリコンは0.7V？——空乏層を壊す「最低コスト」

ここで田中さんが本当に知りたいのは「なぜ0.7Vという中途半端な数字なのか」ですよね。これにはちゃんと物理的な理由があります。

PN接合の「空乏層」を思い出してください

PN接合の原理の記事で説明したとおり、PとNをくっつけると境界線に空乏層という「電気を通さない壁」ができます。

電気を流すには、この空乏層を外から電圧をかけて消し去る必要があります。シリコンの場合、この壁を壊すのに必要な電圧が約0.7Vなのです。

材料が変わると、Vfも変わる

ここがポイントです。0.7Vはシリコンの場合の値であって、材料が変われば空乏層の壁の高さも変わります。だから、材料ごとにVfが違うのです。

ショットキーバリアダイオードはなぜ0.3Vなのか

ここでよくある混乱を解消します。「シリコンは0.7Vって言ったのに、ショットキーバリアダイオードもシリコン製なのに0.3Vって矛盾してない?」という疑問です。

通常のダイオードとショットキーの「構造の違い」

答えは構造の違いにあります。

• 通常のダイオード：P型半導体 と N型半導体を接合 → 空乏層の壁が高い（0.7V）
• ショットキーバリアダイオード：金属 と N型半導体を接合 → 壁が低い（0.3V）

P型を使わず金属を使うことで、空乏層を壊すコストが下がります。これが「ショットキーはVfが低い＝高効率」の正体です。

ショットキーの「もう一つの強み」：高速

ショットキーの強みはVfだけではありません。P型を使わないので、前記事で説明したt_rr（逆回復時間）もほぼゼロになります。電子と正孔が再結合する時間が不要だからです。

LEDのV_Fが2〜3Vもある理由——「光」というエネルギーのコスト

ダイオードの一種であるLEDは、Vfが2V〜3.5Vと特別に大きいです。なぜでしょうか?

LEDは「光るためのエネルギー」を電圧から取っている

LEDは Light Emitting Diode（発光ダイオード）の略。電子と正孔が再結合するときに「光」としてエネルギーを放出します。

通常のダイオードでは、再結合のエネルギーは「熱」になります。でもLEDは特殊な材料を使うことで、その大部分を「光」に変換します。光は熱より高エネルギーなので、それを生むには大きな電圧（Vf）が必要なのです。

LEDの抵抗計算を「V_F」で完全理解する

ここで、田中さんが学生時代に教わった「LEDの抵抗計算」を、Vfの概念で再理解しましょう。実はとても簡単な話だったとわかります。

例題：5V電源で赤LEDを光らせたい

条件は以下の通りとします。

• 電源電圧：5.0V
• 赤LED の V_F：2.0V
• LEDに流したい電流：20mA（=0.02A）
• 必要な抵抗値は?

なぜ「電源電圧 − V_F」と引き算するのか

回路の中で、LEDは必ずV_F＝2.0Vを取ります。これはLEDが「光るために必要な通行料」なので、誰にも譲りません。

すると、5V電源のうち2VはLEDが持っていくので、残った3.0Vが抵抗にかかることになります。これが「電源電圧 − V_F」の正体です。

オームの法則で抵抗値を計算

抵抗にかかる電圧（3.0V）と、流したい電流（20mA）がわかれば、あとはオームの法則（V=IR）で抵抗値を求められます。

V_Fから発熱量を計算する——「通行料は熱になる」

Vfが「通行料」だと言いましたが、この通行料はどこに消えるのでしょうか? 答えはすべて熱になります。だからVfが大きいダイオードは発熱量が多くなります。

発熱量の計算式

電流ごとの発熱量を試算してみる

シリコンダイオード（V_F＝0.7V）で、電流値ごとの発熱量を見てみましょう。

ショットキーと比較すると、効率の差は歴然

同じ10Aを流すとき、シリコンダイオード（Vf=0.7V）とショットキー（Vf=0.4V）でどれだけ差が出るか見てみましょう。

V_Fは実は「定数ではない」——I-V特性カーブの正体

ここまで「シリコンのV_Fは0.7V」と説明してきましたが、実はこれはおおよその値です。本当は、流す電流によって少しずつVfが変化します。

電流が増えるとVfも増える

データシートを見ると「I-V特性」というグラフが必ず載っています。これは「ダイオードに流れる電流(I)と、そのときのVfの関係」をグラフにしたものです。

  電流 IF[A] ↑
       │                              
   10A │                          ●━━━ V_F=0.9V
       │                       ╱       
    5A │                   ●━━━━━ V_F=0.8V
       │                ╱              
    1A │           ●━━━━━━━━ V_F=0.7V
       │       ╱                      
  0.1A │   ●━━━━━━━━━━ V_F=0.6V       
       │ ╱                            
    0A │━━━━━━━━━━━━━━━━━━━→ 電圧 VF[V]
       0   0.2  0.4  0.6  0.8  1.0
  

このグラフが示すのは、「Vfは流す電流によって変わる」という事実です。だからデータシートには「V_F＝0.7V (I_F＝1Aのとき)」のように必ず測定条件が書かれています。

温度が上がるとVfが下がる

もう1つ重要な性質があります。ダイオードのVfは温度が上がると小さくなります。具体的には1℃あたり約2mV低下します。

実務でV_Fを「使いこなす」3つのチェックポイント

最後に、田中さんが明日から使えるV_Fの実務チェックポイントを3つにまとめます。

まとめ：V_Fは「ダイオードの通行料」

V_Fは、最初は「ただの数字」に見えますが、「通行料」という比喩を頭に置けば、出力電圧の計算もLEDの抵抗計算も発熱量の見積もりも、全部一本道で理解できます。

次に山田課長から「このダイオードの発熱大丈夫?」と聞かれたら、こう答えてください。

ここまで言えれば、もう「データシートに書いてあったので…」とは絶対に言わない田中さんです。