ゲルマニウムダイオード

ラジオの受信には受信信号から音声信号を検波という操作が必須です。1920年後から開始したラジオ放送の受信機として使われた鉱石ラジオは、最も簡単なラジオの一つですが、鉱石に針を立てたものが検波器が使われています。1950年代からトランジスタラジオの時代が訪れましたが、この時に検波を担ったのがゲルマニウムダイオードです。ダイオードは、今は片方向にしか電流を通さない整流作用を持つ素子の総称ですが、もともとは二極管(整流作用のある真空管)を指す名称だったようです。ただ、真空管や鉱石検波器が主流でなくなった現在は、ダイオードと言えば半導体ダイオードを指すことが多くなっています。

トランジスタは当初ゲルマニウムのものが実用化されましたが、価格と性能面から1970年あたりを境に、シリコンを用いたものに置き換わって行きました。一方のゲルマニウムダイオードですが、シリコンよりも順方向電圧が低いという特性が検波には有利であったので、トランジスタがシリコンに置き換わったあとも、検波用といて使われています。鉱石ラジオの鉱石に代わりにゲルマニウムダイオードを使用したラジオは、現在も趣味の機会として、マニア・ファンの方が色々研究されているようです。

検波について

ラジオ放送の電波は、搬送波と呼ばれる正弦波に変調（振幅や周波数、位相を、音声信号に応じて変化させる）をかけて音声信号を入れ込んでいます。一方、受け取る側のラジオではこの放送波から信号を取り出す復調が必要となります。振幅変調のAM放送ではこの操作は検波(Detection)と呼ばれています。

この図は、500kHzの搬送波を5kHzの正弦波で変調したLTSpiceのシミュレーション結果です。図の上側が搬送波と信号波で、下の細かい波が振幅変調された信号になります。搬送波のピークが音声信号に合わせて上下に膨らむ形になっています。音声信号はこの包絡線になりますが、そのままでは、プラスマイマスが相殺されてゼロになってしまいますので、片側だけを取り出す必要があり、この際に整流作用(マイナス側を削除する)のある素子が必要となります。ゲルマニウムは電流が流れ出すの必要な電圧が、シリコンの0.6-0.7Vに対して0.15ｰ0.2Vと低いため、整流の際の電圧のロスを減らします。

ダイオードの歴史について

鉱石検波器

最初にラジオに使用されたダイオードは鉱石検波器のようです。原理としては、1874年に、カール・フェルナンド・ブラウン(独)が一部の鉱石が整流作用を持つことを発見しました。実際にラジオの検波に応用されたのは1894年で、ジャガディッシュ・チャンドラ・ボース(印)という物理学者が示したとされています。ボーズは鉱石だけでなく人口のシリコン結晶等もこの作用を持つことを発見していますが、電磁気学の研究の一環としてで、検波器としての性能を研究していた訳ではなかったようです。ラジオへの実用に向けては、1906年にグリーンリーフ・ウィティア・ピカード(米)が、鉱石検波器のの特許を取得しています。1920年代からのラジオ放送の開始以降、鉱石ラジオは広がっていきました。最初は鉱石に直接針を立てて当て具合を調整しながら使うタイプでしたが、少し時代を下ると、写真のようなパッケージ化されたものが一般的になりました。この検波器はイギリス製ですが、日本にも輸入されて広く使用されていたようです。

二極管

二極管の原理の発見は、鉱石検波器と同じ頃の1873年、特許は1904年にジョン・アンブローズ・フレミングという人が取得しているようです。すぐ後の1906年に、増幅が可能な三極管の特許も出願され、これらを組み合わせた真空管ラジオも1920年代から普及しだしました。鉱石ラジオは構造もシンプルで比較的安価でしたが、増幅装置がないため音量も極小で、鉱石検波器も毎回調整が必要でした。それと比べて、二極管と三極管で構成された真空管ラジオは、高価で電源も必要ですが、受信も安定し十分な音量を出すことができため、ラジオ受信機の主流となっていきました。

写真の真空管1A3は携帯通信機の検波等に使われたミニチュアサイズの二極管です。三極管に比べると、中身が大分さっぱりしています。フィラメントでカソードを加熱して熱電子を発生させることで、アノードがプラスの時は電流が流れ、マイナスの時は電子は弾かれるので電流が流れないという仕組みです。

半導体ダイオード

最初の半導体ダイオードは、点接触式のもので、原理的には鉱石検波器と同じです。第二次世界大戦中、軍事用レーダーにはマイクロ波が使用されますが、二極管では扱うには周波数が高すぎ、適用が難しいため、ベル研究所その他いろいろな会社が開発を進められたもので、大戦が終結後、大手のメーカーが製造販売を始めました。現在、ダイオードというとこれを指すのが一般的になりました。

ダイオードの型番は国、時代によりいろいろなものが使われています。アメリカではダイオードには1Nxxが使われて。この番号は、各メーカーごとの品番ではなく、定められた規格を満たすものに付けられており、いろいろな各社が同じ型番で製造・販売していました。日本では初期は各社でバラバラな型番で、ソニーは1Txx、NECはSDxxが使われていました。一方、アメリカ位に倣い1N60等を生産するメーカーもあったりでいろいろでしたが、1960年頃に規格化されて、ダイオードは1Sから始まる、メーカー独自の番号が付けられることになりました。

原理

検波に使用されるゲルマニウムダイオードは、P型とN型の半導体を接合した構造でななく、点接触と呼ばれるタイプが主流のようです。上の写真にありますように、右側の端子からは金属線が伸びており、左側の端子に接続されたゲルマニウムの結晶に接触しています。鉱石の代わりにドープした人工結晶が使われていますが、構造は鉱石検波器と同じです。

原理ですが、一つには半導体に導体を接触させると、ショットキー障壁という現象により電位差が形成され、整流作用が得られる現象によるものです。ただ、点接触ダイオードの整流作用はこれだけではなく、製造時に意図的に一瞬大きな電流を流すことで接触面付近の不純物が移動し、接触部分のミクロなPN接合を作るところが主導的と言われているようです。ゲルマニウム半導体は、シリコンよりも順方向電圧が低く、また、点接触は接点が非常に小さいことから高周波で問題となる寄生容量が小さく、周波数の高い信号の処理にも使われました。

測定したダイオード

ゲルマニウムラジオではゲルマニウムダイオードが要の部品であるため、その検波性能については趣味の方々がいろいろと研究検討されているようです。今回、ラジオの修理のためのゲルマニウムダイオードをいくつか購入しましたので、特性を測定してみました。残念ながら、ソニーの新品のダイオードがなかなか売ってなくて、リストから漏れています。

1N34

点接触、ガラス封止のダイオードで、写真のものは日立製です。ガラスに日立のマークと型番が印刷されています。1N60と並び、中波ラジオの検波に広く用いられていた定番のようです。

D311(Д311)

ロシア製のダイオードで、1960年代に軍事用に開発されたとの話です。黒い色をしていますが、光の影響を避けるために、ガラス封止のあと塗装されているそうです。このダイオードは点接触ではなく拡散メサという製法が使われているようです。N型半導体の一面にドーパントを拡散させて薄いP型を形成し、そのあと、接合部の除去して頭の平らな山(メサ)形状の部分を残して、接合の面積を減らしたもので、静電容量が下がり高周波特性が向上するというもののようです。ゲルマニウムラジオにおいて抜群の性能との評判があります。

1N60

1950年代の代表的なゲルマニウムダイオードで、50年代の終わりごろは、日本の主要メーカーが製造販売していたようです。最近でも生産が継続されていたようで、写真のものは以前に秋月電子で購入した中国製のものですが、2026年時点では販売終了となっています。特性が近いシリコン製のショットキーダイオードも、1N60(P)等の名称で販売されていることがあるようです。

1N277

低キャパシタンスで中波よりももっと周波数の高いところまで使える点接触ゲルマニウムダイオードです。通信機や測定装置でも使われたようです。

1S188

三洋が生産していたゲルマニウムダイオードで、1N60よりも少し小信号用のダイオードです。生産は相当前に終了していますが、いまだストック品があるようで、いくつかのパーツ屋さんで入手できるようです。写真のものは数年前に若松通商で購入したものでガラス管に入っていますが、モールドタイプもあるようです。

CV7130

イギリス製の点接触ダイオードです。CVはイギリスの軍用機器に使われた型番だそうで、Mullard社などにによって製造された点接触ダイオードです。民生品にはOA91という名称が別に付けられているようです。検波用のダイオードとして海外では定番のようです。

1SS106

ゲルマニウムダイオードの代用として使用できると聞いた、シリコンショットキーダイオードです。

測定方法・結果

電圧に対する電流を測定します。テスターと電源で行うと、電圧を変えながら電流を測定して記録する必要がありますが、Analog Discovery 2にはトレースの機能があり、抵抗を繋いで接続すれば、ダイオードやトランジスタの特性データを自動で採取します。専用の追加部品も売っていますが、自分で接続することもでき、ダイオードの場合は上の写真のように、ブレッドボードで接続するだけです。

通常のスーパーヘテロダインのラジオの検波では、数百mVの信号が入力されます。ゲルマニウムダイオードは、150-200mAぐらいから急に電流が流れ始めますので、この辺りを目安に測定を行いました。

測定結果ですが、D311は巷の話の通り他の点接触ダイオードと比較して、電流の立ち上がりが早いです。点接触ではなく、拡散メサ形であることが、大きいのかもしれません。他の点接触ゲルマニウムトランジスタは、CV7130がやや寝ていますが、概ね同じような特性です。ショットキーダイオードも、少し信号電圧が削がれるかもしれませんが、200mAあれば十分導通しますので、スーパーヘテロダインの一般的なラジオに使う分には問題なさそうです。

無電源のゲルマニウムラジオの場合は、検波する信号が数10mVのオーダーになると思います。そちらについてはゲルマニウムラジオの項に、評価は別途まとめましたので、参照ください。

2026/04/11