ツェナーダイオードとは
ツェナーダイオードは、n型半導体とp型半導体をつなげたダイオードの中でも、逆方向電圧が比較的小さく、電圧値が安定性している素子です。定電圧ダイオードとも呼ばれています。
通常のダイオードでは、両端に印加するバイアスの極性に応じて導通の度合いが変化する整流作用を示し、非常に高い逆バイアス電圧をかけても電流は流れません。しかし、ツェナーダイオードと呼ばれる特殊なダイオードは、ある閾値以上の比較的小さな逆バイアス電圧をかけると急激に大量の電流が流れるダイオード特性を示します。
ツェナーダイオードならではの整流特性を利用することによって、回路内で一定の電圧を保つことができます。
ツェナーダイオードの使用用途
ツェナーダイオードは、ある値以上の逆バイアスが加わったときに急激に電流を流し、それ以上電圧が上昇するのを抑えられることが特徴です。そのため、不安定な電源の電圧を一定に保つ時やサージ電流から回路守る時に用いられています。
例えば、安定的ではない電源と並列に、ツェナーダイオードを逆バイアスになるように接続します。その結果、電源の電圧がツェナーダイオードの降伏値よりも高くなれば、ツェナーダイオードに大きな電流が流れるため、電圧を下げて回路にかかる電圧を一定に保つことが可能です。
ツェナーダイオードの原理
ツェナーダイオードが示す独特の特性の起源については、ツェナー効果とアバランシェ効果の2つが関わっていると言われています。前者は、(ツェナーダイオードに固有である)意図的に混入不純物濃度の高い半導体を用いてpn接合を作る事で逆バイアスがかかった際に発生する空乏層が薄くなり、ある閾値上の値において電子がトンネル効果が生じ空乏層を飛び越えて電気伝導を生じるという現象です。
後者は、高いバイアスより強く加速された電子が半導体原子に衝突する事により多くのキャリアを叩き出し、叩き出された電子が半導体原子に衝突して更に多くのキャリアを叩き出すということを繰り返して電子雪崩を起こし、大量の電流が流れるという現象です。
バイアスが閾値を超えると、ツェナー効果で空乏層を飛び越えた電子が高い逆バイアスで大電流を起こすアバランシェ効果が発生し、それが電圧降下を引き起こすため電圧を閾値にまで下げることになります。
すると、回路にかかる電圧を一定に保つことになり、不安定な電源の安定化や外部からのサージから回路を守ります。現在は不純物濃度の割合と半導体プロセスの処理により、このツェナーダイオードの逆方向の降伏電圧は極めて制御性良く作製することが可能です。
種類や公差も広範囲のものが市場には出ており、1V台から数百Vといった広いレンジで選択でき、電圧値によっては狭公差±0.05％のものも出回っています。
ツェナーダイオードのその他情報
1. ツェナーダイオードの直列・並列接続
直列接続
ツェナーダイオードを直列接続する場合、流すツェナー電流lzの値に注意します。全体の最大許容電流値は、接続するツェナーダイオードの許容電流の小さい方に該当します。そのため、許容損失の小さい方の範囲内で使用しましょう。
また、ツェナー電圧規定のツェナー電流がそれぞれのダイオードで異なる場合は、求めたいツェナー電圧と異なる電圧値になりますので注意が必要です。どちらか一方のツェナーダイオードが規定のツェナー電流値にならないことが理由として挙げられます。
並列接続
ツェナーダイオードの並列接続は、ツェナーダイオードの許容損失を増加させるため接続することができません。並列接続の際、どちらかのツェナー電圧が低い方にツェナー電流が集中し許容損失を超える場合があるので注意が必要です｡
2. ツェナーダイオードの特性
温度特性
温度特性は、温度によって特性を変えるという意味を持ちます。ツェナーダイオードの場合、ツェナー電圧によってこの温度特性が変わります。その理由は、「トンネル効果」と「アバランシェ効果」にあります。
トンネル効果の温度計数は負で、アバランシェ効果の温度係数は正です。そのため、ツェナー電圧が低いものは周囲温度が上昇するとツェナー電圧が低下します。その一方で、ツェナー電圧が高いものは周囲温度が上昇するとツェナー電圧が増加するという特徴を持ちます。
ここでいうツェナー電圧が低いものは一般的に5Vより小さい電圧を指し、ツェナー電圧が高いものは一般的に5Vより大きい電圧を指します。5V程度のツェナーダイオードになると、トンネル効果とアバランシェ効果がともに作用し、ツェナー現象が起こります。この時、温度特性も同じぐらいになり、周囲の温度によってツェナー電圧が影響を受け難くなります。
ノイズ
ツェナーダイオードでは、ツェナー電圧が高いほどノイズが大きくなり、電流量が大きいほどノイズは小さくなります。ノイズを防ぐためには、ツェナー電圧が低い複数の素子を直列接続することが必要になります。また、ツェナーダイオードにコンデンサを並列接続する方法でノイズを取り除くこともできます。
3. 【用途別】ダイオードの選定方法
ツェナーダイオードの特性や使用方法を説明してきましたが、半導体ダイオードには他 にも様々なデバイスがあります。ここでは、他のダイオードとの違いや特徴などを補足説明します。
逆方向特性を用いるデバイスにTVS(Transient Voltage Suppressors)ダイオードがあります。これもツェナーダイオード同様に過電圧防止の機能を有する目的で使われますが、違いはTVSの場合はツェナーダイオードと異なり、通常オフ時でサージ電圧印加時のみON動作をします。
金属と半導体のショットキーバリアを活用するショットキーバリアダイオードはさらに低い電圧値で、スイッチング速度が速い整流作用の用途に使われる場合が多いです。pn半導体素子からなる高速スイッチング用途用のスイッチングダイオードも存在します。また、RF(高周波数)向けの端子間容量を下げたPINダイオードも使われています。
参考文献
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/diodes/di_what6
https://contents.zaikostore.com/semiconductor/4616/