ツェナーダイオード
ツェナーダイオード
コンポーネントタイプアクティブ
動作原理ツェナー効果
ピン名陽極と陰極
電子シンボル

ツェナーダイオードは、端子間の電圧が一定の特性閾値（ツェナー電圧）を超えると、ツェナー効果を利用して、電流がアノードからカソードへの通常の方向と逆方向に流れるように設計されたダイオードの一種です。

ツェナーダイオードは、可変ツェナー電圧デバイスを含む様々なツェナー電圧で製造されています。一部のタイプは、ツェナー電圧が低い急峻な高濃度ドープp-n接合を有し、この場合、p領域とn領域間の短距離における電子の量子トンネル効果により逆導通が発生します。ツェナー電圧が高いダイオードは、より低濃度ドープされた接合を持つため、動作モードはアバランシェ降伏となります。ツェナーダイオードには両方の降伏タイプが存在し、低電圧ではツェナー効果が優勢で、高電圧ではアバランシェ降伏が優勢です。

ツェナーダイオードは、高電圧から低電力の安定化電源レールを生成したり、回路（特に安定化電源）に基準電圧を供給したりするために使用されます。また、過電圧、特に静電放電から回路を保護するためにも使用されます。

歴史

この装置は、1934年に電気絶縁体の破壊に関する主に理論的な研究の中で初めてツェナー効果を記述したアメリカの物理学者クラレンス・ツェナーにちなんで名付けられました。後に彼の研究は、ベル研究所による電子装置の形でのツェナー効果の実現につながりました。[ 1 ]

手術

ブレークダウン電圧3.4Vのツェナーダイオードの電流電圧特性
公称ツェナー電圧に対するツェナー電圧の温度係数

従来の固体ダイオードは、逆バイアスが逆ブレークダウン電圧を超えると、大きな電流を流すことができます。逆バイアスブレークダウン電圧を超えると、従来のダイオードはアバランシェブレークダウンに起因して大電流を流します。この電流が外部回路によって制限されない限り、アバランシェブレークダウン伝導が発生している半導体接合部の小さな（局所的な）領域での過熱により、ダイオードが恒久的な損傷を受ける可能性があります。ツェナーダイオードはほぼ同じ特性を示しますが、デバイスはブレークダウン電圧（ツェナー電圧）が低くなるように特別に設計されています。従来のデバイスとは対照的に、逆バイアスされたツェナーダイオードは制御されたブレークダウンを示し、電流によってツェナーダイオードの両端の電圧をツェナーブレークダウン電圧に近い値に保つことができます。たとえば、ツェナーブレークダウン電圧が 3.2 V のダイオードは、広い範囲の逆電流にわたって 3.2 V 近くの電圧降下を示します。そのため、ツェナーダイオードは、基準電圧の生成（例えば増幅段用）や低電流用途の電圧安定器などの用途に適しています。[ 2 ]

同様の効果を生み出すもう一つのメカニズムは、アバランシェダイオードに見られるアバランシェ効果です。[ 2 ] 2種類のダイオードは実際には同様の構造をしており、このタイプのダイオードでは両方の効果が現れます。シリコンダイオードでは、約5.6ボルトまではツェナー効果が支配的であり、顕著な負の温度係数を示します。5.6ボルトを超えると、アバランシェ効果が支配的となり、正の温度係数を示します。[ 3 ]

5.6 V ダイオードでは、2 つの効果が同時に発生し、温度係数がほぼ打ち消し合うため、5.6 V ダイオードは温度が重要な用途で有用です。長期間にわたって高い安定性が求められる電圧リファレンスに使用される代替手段は、温度係数 (TC) +2 mV/°C (ブレークダウン電圧 6.2～6.3 V) のツェナーダイオードを、同一チップ上に製造された順方向バイアスのシリコンダイオード (またはトランジスタの B-E 接合) と直列に接続することです。[ 4 ]順方向バイアスのダイオードの温度係数は -2 mV/°C であるため、TC が打ち消されて正味温度係数はほぼゼロになります。

また、4.7 V ツェナー ダイオードの温度係数は、シリコン トランジスタのエミッタ ベース接合の温度係数 (約 -2 mV/°C) に近いため、4.7 V ダイオードが NPN トランジスタのベース電圧を設定する (つまり、係数が並列に動作する) 単純な調整回路では、エミッタは約 4 V になり、温度に対して非常に安定します。

現代の設計では、5.6V未満の電圧で温度係数が無視できるほど低いデバイスが製造されています。高電圧デバイスの温度係数は、ブレークダウン電圧が5Vを超える量にほぼ比例します。したがって、75Vダイオードの温度係数は、12Vダイオードの約10倍になります。

ツェナー ダイオードとアバランシェ ダイオードは、ブレークダウン電圧に関係なく、通常は「ツェナー ダイオード」という総称で販売されています。

5.6V以下ではツェナー効果が支配的となり、ブレークダウン付近のIV曲線はより丸みを帯びるため、バイアス条件の選択にはより注意が必要です。一方、5.6V以上（アバランシェ効果が支配的）では、ツェナーダイオードのIV曲線はブレークダウン時にはるかに正確になります。

工事

ツェナーダイオードの動作は、p-n接合への高濃度ドーピングに依存します。ダイオード内に形成される空乏領域は非常に薄く（1μm未満）、その結果、約5Vの小さな逆バイアス電圧でも電界が非常に高くなり（約500kV/m）、電子がp型材料の価電子帯からn型材料の伝導帯へトンネル移動すること が可能になります。

原子スケールでは、このトンネル効果は価電子帯の電子が空の伝導帯状態に移送されることに対応し、これらのバンド間の障壁の減少と両側の高レベルのドーピングによって誘導される高電界の結果として生じます。[ 3 ]ブレークダウン電圧はドーピングプロセスによって非常に正確に制御できます。不純物の追加、つまりドーピングは、ダイオード内の半導体材料の挙動を変えます。ツェナーダイオードの場合、この高濃度ドーピングによってダイオードがブレークダウン領域で動作できる状況が作り出されます。許容誤差は 0.07% 以内で提供されていますが、一般的に提供される許容誤差は 5% と 10% です。一般的なツェナーダイオードのブレークダウン電圧は 1.2 V から 200 V まで変化します。

低濃度ドープダイオードの場合、ブレークダウンはツェナー効果ではなくアバランシェ効果によって支配されます。その結果、これらのデバイスのブレークダウン電圧は高くなります（5.6 V以上）。[ 5 ]

表面ツェナー

バイポーラNPN トランジスタのエミッタ - ベース接合はツェナー ダイオードとして動作し、ブレークダウン電圧は一般的なバイポーラ プロセスでは約 6.8 V、BiCMOSプロセスでは低濃度ドープのベース領域で約 10 V です。ドーピング特性の制御が不十分な旧プロセスではツェナー電圧の変動が最大 ±1 V でしたが、イオン注入を使用する新しいプロセスでは ±0.25 V 以下を実現できます。NPN トランジスタ構造は表面ツェナー ダイオードとして使用できます。コレクタとエミッタをカソードとして、ベース領域をアノードとして接続します。この方法では、ベース ドーピング プロファイルは通常、表面に向かって狭くなり、アバランシェ ブレークダウンが発生する電界が強まる領域が形成されます。強電界での加速によって生成されたホット キャリアは、接合上部の酸化層に注入され、そこにトラップされます。トラップされた電荷が蓄積すると、「ツェナー ウォークアウト」が発生し、接合のツェナー電圧がそれに応じて変化します。同じ効果は放射線損傷によっても得られます。

エミッタ・ベース間ツェナーダイオードは、ベース空乏層でエネルギーが消費されるため、非常に小さな電流しか流すことができません。消費エネルギーが大きい場合（長時間にわたる高電流、または短時間の非常に高い電流スパイク）、接合部やその接点に熱損傷が発生します。接合部の部分的な損傷は、ツェナー電圧を変動させる可能性があります。過熱によって接合部全体に金属配線が移動し（「スパイク」）、ツェナー接合部を完全に破壊することは、「ツェナーザップ」アンチヒューズとして意図的に使用することができます。[ 6 ]

地下ゼナー

埋め込みツェナー構造

埋め込みツェナーとも呼ばれるサブサーフェス・ツェナー・ダイオードは、表面ツェナーに似たデバイスですが、ドーピングと設計により、アバランシェ領域が構造のより深部、通常は酸化膜の下数マイクロメートルに位置するようになっています。ホットキャリアは、酸化膜に到達する前に半導体格子との衝突によってエネルギーを失い、そこで捕捉されることはありません。そのため、ツェナー・ウォークアウト現象は発生せず、埋め込みツェナーは寿命全体にわたって安定した電圧を維持します。ほとんどの埋め込みツェナーのブレークダウン電圧は5～7ボルトです。いくつかの異なる接合構造が用いられています。[ 7 ]

用途

標準的なパッケージにツェナーダイオードを記載。逆電流も記載。−私Z{\displaystyle -i_{Z}}

ツェナーダイオードは、電圧リファレンスやシャントレギュレータとして、小規模回路の電圧を安定化するために広く使用されています。可変電圧源に逆バイアスがかかるように並列に接続すると、ツェナーダイオードは、電圧がダイオードの逆方向ブレークダウン電圧に達した時点で導通します。この時点から、ダイオードの低インピーダンスにより、ダイオードの両端の電圧はその値に維持されます。[ 8 ]

この回路は典型的な電圧リファレンスまたはレギュレータであり、入力電圧U in（上側が+）は安定した出力電圧U outに調整されます。ダイオードDのブレークダウン電圧は広い電流範囲にわたって安定しており、入力電圧が広い範囲で変動してもU out はほぼ一定に保たれます。このように動作させるとダイオードのインピーダンスが低くなるため、抵抗Rによって回路を流れる電流が制限されます。

この単純な基準の場合、ダイオードに流れる電流は、オームの法則と抵抗器Rの既知の電圧降下を使用して決定されます。

私ダイオード＝あなたで−あなた外R{\displaystyle I_{\text{ダイオード}}={\frac {U_{\text{入力}}-U_{\text{出力}}}{R}}}

Rの値は、次の 2 つの条件を満たす必要があります。

  1. Rは、Dを流れる電流がDを逆方向ブレークダウン状態に保つのに十分小さくなければなりません。この電流の値は、Dのデータシートに記載されています。例えば、一般的なBZX79C5V6 [ 9 ]デバイス（5.6V、0.5Wのツェナーダイオード）の推奨逆電流は5mAです 。Dを流れる電流が不十分な場合、U out は安定化されず、公称ブレークダウン電圧よりも低くなります（これは、出力電圧が公称値よりも高く、U inまで上昇する可能性がある電圧安定化管とは異なります）。Rを計算する際には、この図には示されていない、 U out両端に接続されている外部負荷を流れる電流を考慮する必要があります。
  2. Rは、Dを流れる電流がデバイスを破壊しない程度に大きくなければなりません。Dを流れる電流をI Dとすると、そのブレークダウン電圧V Bと最大消費電力P maxは次の関係にあります。私DVB<P最大{\displaystyle I_{D}V_{B}<P_{\text{max}}}

このリファレンス回路では、ダイオードの両端に負荷を接続することができ、ツェナーダイオードが逆方向ブレークダウン状態にある限り、ダイオードは負荷に安定した電圧源を提供します。この構成のツェナーダイオードは、より高度な電圧レギュレータ回路の安定したリファレンスとしてよく使用されます。

シャントレギュレータはシンプルですが、最悪の動作（低入力電圧と高負荷電流の同時発生）時に過度の電圧降下を避けるためにバラスト抵抗器を十分に小さくする必要があるため、多くの時間ダイオードに大量の電流が流れる傾向があり、静止電力消費量が高く、かなり無駄の多いレギュレータとなり、小さな負荷にしか適しません。

これらのデバイスは、通常、ベース・エミッタ接合と直列にトランジスタ段に使用されます。アバランシェ点またはツェナー点を中心としたデバイスを選択的に選択することで、トランジスタのp-n接合の温度係数のバランスを補償することができます。このような用途の一例として、安定化電源回路のフィードバックループシステム で使用されるDCエラーアンプが挙げられます。

ツェナー ダイオードは、過渡電圧スパイクを制限する サージ プロテクタでも使用されます。

ノイズジェネレーター

ツェナーダイオードのもう一つの用途は、アバランシェブレークダウンノイズを利用することです（ノイズ発生器の§ ツェナーダイオードを参照）。これは、例えば、 1 ⁄ 3～1 LSBに相当するrmsレベルのときにアナログ-デジタルコンバーターのディザリングに使用したり[ 10 ] 、乱数発生器を作成したりするために使用できます。

波形クリッパー

波形クリッパーの例（極性のVは無関係です）

互いに向かい合った2つのツェナーダイオードが直列に接続され、入力信号の両半分をクリップします。波形クリッパーは、信号波形の整形だけでなく、電源に接続された回路への電圧スパイクの影響を防ぐためにも使用できます。[ 11 ]

電圧シフター

電圧シフタの例

ツェナーダイオードは、抵抗器付きの回路に電圧シフタとして適用できます。この回路は、ツェナーダイオードのブレークダウン電圧に等しい量だけ出力電圧を下げます。

電圧レギュレータ

電圧レギュレータの例（V in + は上部にあります。）

ツェナー ダイオードは、リニア レギュレータなどの電圧レギュレータ回路に適用して、負荷に印加される電圧を調整できます。

参照

参考文献

  1. ^サクソン、ヴォルフガング（1993年7月6日） 「クラレンス・M・ゼナー氏（87歳）、カーネギーメロン大学の物理学者兼教授」ニューヨーク・タイムズ。
  2. ^ a bミルマン、ジェイコブ (1979).マイクロエレクトロニクス. マグロウヒル. pp.  45–48 . ISBN 978-0071005968。
  3. ^ a b Dorf, Richard C. 編 (1993). 『電気工学ハンドブック』 ボカラトン: CRC Press. p. 457. ISBN 0-8493-0185-8。
  4. ^キャリブレーション：実践哲学。フルーク。1994年。7  ～ 10頁。ISBN 0963865005。
  5. ^ Rakesh Kumar Garg、Ashish Dixit、Pavan Yadav、「Basic Electronics」、p. 150、Firewall Media、2008 ISBN 8131803023。
  6. ^ Comer, Donald T. (1996). 「VLSI回路におけるツェナーザップ・アンチヒューズ・トリム」 VLSI設計. 5:89 . doi : 10.1155/1996/23706 .
  7. ^ヘイスティングス、アラン (2005). 『アナログレイアウトの芸術』（第2版）. プレンティス・ホール. ISBN 9780131464100。
  8. ^ホロウィッツ、ポール、ヒル、ウィンフィールド (1989). 『エレクトロニクスの芸術』（第2版）. ケンブリッジ大学出版局. pp.  68–69 . ISBN 0-521-37095-7。
  9. ^ 「BZX79C5V6 − 5.6V、0.5W ツェナーダイオード – データシート」フェアチャイルドセミコンダクター。 2014年7月22日閲覧。
  10. ^リチャード・ライオンズ (2004) [2001].デジタル信号処理の理解(PDF) (第2版). アッパーサドルリバー、ニュージャージー州:プレンティスホール. p. 509. ISBN 0-13-108989-72023年4月5日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF）されています。
  11. ^ディフェンダーファー、ロバート (2005).電子デバイス：システムとアプリケーション. トーマス・デルマー・ラーニング. pp.  95– 100. ISBN 1401835147. 2014年7月22日閲覧。

さらに読む

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