ツェナーダイオードの仕組み
ツェナー ダイオードまたはツェナー ダイオード (半導体ツェナー ダイオード) は、pn 接合の逆バイアス条件下で安定した降伏モードで動作する特殊なダイオードです。この降伏が起こるまでは、閉じたツェナー ダイオードの抵抗が高いため、ツェナー ダイオードには非常に小さな電流 (漏れ電流) しか流れません。
しかし、故障が発生すると、この時点でのツェナーの微分抵抗は数分の一から数百オームになるため、電流は瞬時に増加します。このようにして、ツェナー ダイオードの両端の電圧は、比較的広範囲の逆電流にわたって非常に正確に維持されます。
ツェナー ダイオードは、トンネル降伏現象を最初に発見した科学者であるアメリカの物理学者クラレンス メルビン ツェナー (1905 ～ 1993 年) にちなんで、ツェナー ダイオード (英語の Zener ダイオードに由来) と呼ばれています。
ツェナーによって発見された、トンネル効果、つまり薄いポテンシャル障壁を通した電子の漏れ現象に関連する pn 接合の電気的破壊は、現在ではツェナー効果と呼ばれており、今日の半導体ツェナー ダイオードで機能しています。
効果の物理的なイメージは次のとおりです。p-n 接合の逆バイアスでは、エネルギーバンドが重なり合い、電子は p 領域の価電子帯から n 領域の伝導帯に移動できます。 電界、これにより自由な電荷キャリアの数が増加し、逆電流が急激に増加します。
したがって、ツェナー ダイオードの主な目的は電圧を安定させることです。業界では、1.8 V ～ 400 V の安定化電圧、高、中、低電力の半導体ツェナー ダイオードが製造されており、最大許容逆電流が異なります。
単純な電圧安定器はこれに基づいて作成されます。図では、ツェナー ダイオードはダイオードの記号と同様の記号で示されていますが、唯一の違いは、ツェナー ダイオードのカソードが文字«G»の形で描かれていることです。
約 7 V の安定化電圧を備えた潜在集積構造のツェナー ダイオードは、最も正確で安定したソリッドステート基準電圧源です。その最良の例は、通常のウェストン ガルバニ セル (水銀カドミウム基準ガルバニ セル) に特徴的に近いものです。
高電圧アバランシェ ダイオード (「TVS ダイオード」および「サプレッサ」) は、あらゆる種類の機器のサージ保護回路で広く使用されており、特殊なタイプのツェナー ダイオードに属します。
ご覧のとおり、ツェナー ダイオードは従来のダイオードとは異なり、I - V 特性の逆分岐で動作します。通常のダイオードでは、逆電圧が印加されると、トンネル降伏、アバランシェ降伏、漏れ電流による発熱による降伏の 3 つのいずれか (またはすべてが同時に) で故障が発生する可能性があります。
シリコン ツェナー ダイオードの熱破壊は重要ではありません。なぜなら、シリコン ツェナー ダイオードは、熱破壊の傾向が現れるずっと前に、トンネル降伏、アバランシェ降伏、または両方の種類の降伏が同時に発生するように設計されているからです。直列ツェナー ダイオードは現在、ほとんどがシリコンで作られています。
5 V 未満の電圧での降伏はツェナー効果の現れであり、5 V を超える電圧での降伏はアバランシェ降伏の現れです。通常、約 5 V の中間降伏電圧は、これら 2 つの効果の組み合わせによって生じます。ツェナーダイオードが破壊する瞬間の電界の強さは約30MV/mです。
ツェナー ダイオードの降伏は、中程度にドープされた p 型半導体と高濃度にドープされた n 型半導体で発生します。接合温度が上昇すると、ツェナー ダイオードの剥離が減少し、アバランシェ降伏の寄与が増加します。
ツェナーダイオードには次のような代表的な特性があります。 Vz — 安定化電圧。ドキュメントでは、このパラメータに最大安定化電圧と最小安定化電圧という 2 つの値が指定されています。 Iz は最小安定化電流です。 ZZ はツェナー ダイオードの抵抗です。 Izk および Zzk — 直流での電流および動的抵抗。 Ir と Vr は、特定の温度における最大漏れ電流と電圧です。 Tc は温度係数です。 Izrm — ツェナー ダイオードの最大安定化電流。
ツェナーダイオードは、独立した安定化素子としてだけでなく、トランジスタスタビライザの基準電圧（基準電圧）源としても広く使用されています。
小さな基準電圧を得るには、通常のダイオードと同様にツェナー ダイオードも順方向にスイッチオンします。その場合、1 つのツェナー ダイオードの安定化電圧は 0.7 ～ 0.8 ボルトになります。
ツェナー ダイオードの本体で消費される最大電力は、通常 0.125 ～ 1 ワットの範囲にあります。これは、通常、インパルスノイズに対する保護回路の通常の動作や低電力安定化装置の構築には十分です。