半導体12【電験3種理論】可変容量ダイオード（バリキャップ）の空乏層と静電容量を判別する！令和2年度 A問題11 完全解説

2026年7月14日2026年8月1日

電験3種理論科目電子理論（半導体等）令和2年度 A問題11 逆電圧で空乏層が広がる！静電容量はどう変わる？

今回は令和2年度理論科目 A問題11を解説します。可変容量ダイオード（バリキャップ、バラクタダイオード）の原理図をもとに、加える電圧の向き・空乏層・幅dと静電容量の変化・用途を問う穴埋め問題です。

可変容量ダイオードは逆方向電圧を加えて使います。逆電圧を大きくすると空乏層（キャリヤがほとんど無い領域）の幅dが広がり、コンデンサとみなしたときの静電容量C＝εS/dが小さくなります。この性質を無線通信の同調回路などに利用します。

令和2年度理論科目 A問題11：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種理論科目半導体等令和2年度 A問題11 問題文 — 令和2年度理論科目 A問題11 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「令和2年度第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題11

電験3種理論科目【電子理論（半導体等）】令和2年度 A問題11

　次の文章は、可変容量ダイオード（バリキャップやバラクタダイオードともいう）に関する記述である。

　可変容量ダイオードとは、図に示す原理図のように(ア)電圧V[V]を加えると静電容量が変化するダイオードである。p形半導体とn形半導体を接合すると、p形半導体のキャリヤである●印と、n形半導体のキャリヤ（図中の○印）がpn接合面付近で結合すると消滅して、(イ)と呼ばれるキャリヤがほとんど存在しない領域ができる。可変容量ダイオードに(ア)電圧を印加し、その大きさを大きくすると、(イ)の領域の幅dが(ウ)なり、静電容量の値は(エ)なる。この特性を利用して可変容量ダイオードは(オ)などに用いられている。

上記の記述中の空白箇所(ア)〜(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ)
(1) 逆方向空乏層広く小さく無線通信の同調回路
(2) 順方向空乏層狭く小さく光通信の受光回路
(3) 逆方向空乏層広く大きく光通信の受光回路
(4) 順方向反転層狭く大きく無線通信の変調回路
(5) 逆方向反転層広く小さく無線通信の同調回路

	(ア)	(イ)	(ウ)	(エ)	(オ)
(1)	逆方向	空乏層	広く	小さく	無線通信の同調回路
(2)	順方向	空乏層	狭く	小さく	光通信の受光回路
(3)	逆方向	空乏層	広く	大きく	光通信の受光回路
(4)	順方向	反転層	狭く	大きく	無線通信の変調回路
(5)	逆方向	反転層	広く	小さく	無線通信の同調回路

出題のポイント：空乏層をコンデンサとして使う

可変容量ダイオードは、pn接合の空乏層をコンデンサの誘電体として使う素子です。逆電圧で空乏層の幅を変えれば、静電容量が変わります。

5つの空欄はすべて連動しています。「逆方向」→「空乏層」→「広く」→「小さく」→「同調回路」——1つ決まれば芋づる式です。

空乏層の幅と静電容量

$$C=\frac{\varepsilon S}{d}\qquad(d:\text{空乏層の幅})$$

※逆電圧を大きくすると $d$ が広がり、$C$ は小さくなります。平行平板コンデンサと同じ式です。

(オ)の用途は「無線通信の同調回路」です。$C$ が変われば $f_0=\dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ が変わる——電圧で選局できるわけです。

可変容量ダイオードについて、逆方向電圧、空乏層の拡大、C＝εS／dによる静電容量低下、無線通信の同調回路、正解1までを4段階で示す解説 — 逆方向電圧を大きくすると空乏層の幅dが広がり、接合容量Cは小さくなります。この一連の関係から空欄5箇所と正解(1)を決定します。

解説：5つの空欄を順に埋める

空欄	答え	根拠
(ア)	逆方向	順方向では電流が流れてしまい、容量として使えない
(イ)	空乏層	キャリヤが結合して消滅した、キャリヤのない領域
(ウ)	広く	逆電圧を大きくするとキャリヤがさらに引き離される
(エ)	小さく	$C=\varepsilon S/d$ で $d$ が分母
(オ)	無線通信の同調回路	容量を変えて共振周波数を変える

(イ)で「反転層」を選ばないでください。反転層はMOSFETのチャネルのこと——ゲート電圧で表面のキャリヤの種類が反転してできる層です。可変容量ダイオードとは無関係です。

(オ)の「光通信の受光回路」はフォトダイオードの用途です。可変容量ダイオードは光とは関係ありません。

p形側を負、n形側を正にしたpn接合で、正孔と電子が接合面から離れ、固定イオンを残した空乏層の幅が逆方向電圧とともに広がることを比較する解説 — 逆バイアスでは多数キャリヤが接合面から引き離されます。空乏層に残る固定イオンはp側が負、n側が正で、逆方向電圧が大きいほど空乏層は広がります。

pn接合をコンデンサに置き換え、空乏層の幅dと接合面積Sを区別し、C＝εS／dから逆方向電圧増加で静電容量が小さくなることを丁寧に導く解説 — 空乏層は誘電体、p形・n形領域は電極に相当します。同じダイオードではεとSがほぼ一定なので、分母dが大きくなるほどCは小さくなります。

答え(ア) 逆方向、(イ) 空乏層、(ウ) 広く、(エ) 小さく、(オ) 無線通信の同調回路　→　選択肢(1)

誤答の正体：用語だけで大半が消える

選択肢	(ア)	(イ)	(ウ)	(エ)	(オ)	判定
(1)	逆方向	空乏層	広く	小さく	無線通信の同調回路	◎
(2)	順方向	空乏層	狭く	小さく	光通信の受光回路	×
(3)	逆方向	空乏層	広く	大きく	光通信の受光回路	×
(4)	順方向	反転層	狭く	大きく	無線通信の変調回路	×
(5)	逆方向	反転層	広く	小さく	無線通信の同調回路	×（(イ)だけ誤り）

(5)が最も惜しい誤答です。(イ)の「反転層」だけが誤り——他の4つは正しいので、用語1つで落とすことになります。

(3)は(エ)だけ「大きく」としています。「逆電圧を大きくすると容量も大きくなる」——これは頻出の誤りパターンです。$C=\varepsilon S/d$ を思い出せば防げます。

⚠️ よくある間違い
「空乏層」と「反転層」を混同しないでください。空乏層＝pn接合でキャリヤが消えた領域（ダイオード）、反転層＝MOSFETでゲート電圧により作られるチャネル——まったく別の素子の用語です。

☝️ ひっかけの作り方：(オ)の「変調回路」も紛らわしいです。可変容量ダイオードは変調にも使えます（FM変調など）が、問題文の文脈では「同調回路」が標準的な答えです。(4)は他が全部誤りなので消えます。

深掘り①：空乏層ができるしくみ

問題文の「●印と○印が結合すると消滅して」という記述が、空乏層の生成そのものです。順を追って見てみましょう。

段階	起きること
❶ 接合前	p形には正孔、n形には電子が多数存在
❷ 接合直後	濃度差で拡散し、接合面付近で再結合して消滅
❸ 空乏層の形成	キャリヤのない領域ができる。固定イオンだけが残る
❹ 内部電界	固定イオンによる電界が、さらなる拡散を止める
❺ 平衡	一定の幅で安定する

空乏層に残るのは「動けない固定イオン」です。n形側には正のドナーイオン、p形側には負のアクセプタイオン——この電荷が内部電界を作ります。

逆電圧を加えると、この内部電界を強める向きになります。キャリヤがさらに接合面から引き離され、空乏層が広がる——これが(ウ)の答えです。

深掘り②：容量が変わる幅はどれくらいか

実際の可変容量ダイオードで、どれくらい容量が変わるかを見ておきましょう。

逆電圧	空乏層の幅（目安）	静電容量（目安）
1 V	狭い	約30 pF
5 V	中	約15 pF
20 V	広い	約5 pF

数倍から10倍程度の範囲で変化します。共振周波数は $\sqrt{C}$ に反比例するので、容量が9倍変われば周波数は3倍変わる——放送バンドをカバーするには十分です。

$$f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\ \Rightarrow\ f_0\propto\frac{1}{\sqrt{C}}$$

❶ 周波数と容量の関係

$$C:30\to5\ \mathrm{pF}\ (1/6)\ \Rightarrow\ f_0:\sqrt6\fallingdotseq2.4\ \text{倍}$$

❷ 数値例

容量が $1/6$ になると周波数は約2.4倍です。AMラジオの中波帯（531〜1602 kHz、約3倍）をほぼカバーできます。

深掘り③：バリキャップがラジオを変えた

可変容量ダイオードの登場前は、機械式の可変コンデンサ（バリコン）が使われていました。置き換わったことで何が変わったかを見ておきましょう。

	バリコン（機械式）	バリキャップ（電子式）
操作	つまみを回して羽根を動かす	電圧を変える
大きさ	大きい	極小（数 mm）
遠隔操作	できない	できる（電圧を送るだけ）
記憶・自動選局	できない	できる（電圧を記憶）
振動・衝撃	弱い	強い

「ボタンを押すと局が切り替わる」ラジオは、バリキャップがあって初めて可能になりました。各ボタンに対応する電圧を記憶しておけばよいからです。

さらにPLL（位相同期ループ）と組み合わせれば、周波数を数値で正確に指定できます。現代のあらゆる無線機器の周波数制御は、この方式です。

深掘り④：空乏層と反転層を区別する

(イ)で狙われた「反転層」——空乏層との違いを確実にしておきましょう。どちらも半導体の重要な概念です。

	空乏層	反転層
できる場所	pn接合の界面	MOSFETの基板表面（ゲート直下）
できる条件	接合すれば自然にできる（逆電圧で拡大）	しきい値以上のゲート電圧
中身	キャリヤがない（固定イオンのみ）	少数キャリヤが集まる
役割	整流・容量・光起電力	電流の通り道（チャネル）
関係する素子	ダイオード全般	MOSFET

空乏層は「キャリヤがない」、反転層は「キャリヤが集まる」——正反対です。名前も「乏しい」と「反転する」で対照的になっています。

ただしMOSFETにも空乏層はできます。反転層ができる手前の状態が空乏状態——ゲート電圧を上げていくと、蓄積→空乏→反転と変化します。

⏱️ 本番での進め方
❶ 5つの空欄は連動——「逆方向→空乏層→広く→小さく」は一本道。
❷ $C=\varepsilon S/d$——$d$ が分母だから広がれば容量は減る。
❸ 「反転層」はMOSFETの用語——ダイオードでは使わない。
❹ 「光通信の受光回路」はフォトダイオード——用途違い。

💡 覚え方
「逆電圧で空乏層が広がる＝コンデンサの間隔が広がる＝容量が減る」——平行平板コンデンサをそのまま思い浮かべればよいのです。特別な暗記は要りません。