ツェナーダイオードの故障特性

ツェナーダイオードの記号を下図に示します。 カソードを表す直線の代わりに、ツェナーダイオードには、文字Z（ツェナーを表す）を思い出させる曲がった線があります。 ツェナーダイオードは、逆ブレークダウン領域で動作するように設計されたシリコンpn接合デバイスです。 ツェナーダイオードの絶縁破壊電圧は、製造時にドーピングレベルを注意深く制御することによって設定されます。 前回のダイオード特性曲線の説明から、ダイオードが逆ブレークダウンに達すると、電流が大幅に変化してもその電圧はほぼ一定に保たれ、これがツェナーダイオードの動作の鍵となります。 このボルトアンペア特性は、下の図に再び示され、ツェナーダイオードの通常の動作領域が影付きの領域として示されています。 ツェナーブレークダウンツェナーダイオードは、逆ブレークダウンで動作するように設計されています。 ツェナーダイオードの逆ブレークダウンには、アバランシェとツェナーのXNUMX種類があります。 アバランシェ効果は、十分に高い逆電圧で整流ダイオードとツェナーダイオードの両方で発生します。 ツェナーブレークダウンは、低い逆電圧でツェナーダイオードで発生します。 ツェナーダイオードは、ブレークダウン電圧を下げるために高濃度にドープされています。 これにより、非常に薄い空乏領域が発生します。 その結果、空乏領域内に強い電界が存在します。 ツェナー降伏電圧（V）の近くでは、電界は電子を価電子帯から引き出して電流を生成するのに十分な強さです。 ブレークダウン電圧が約5V未満のツェナーダイオードは、主にツェナーブレークダウンで動作します。 ブレークダウン電圧が約5Vを超えるものは、主にアバランシェブレークダウンで動作します。 ただし、どちらのタイプもツェナーダイオードと呼ばれます。 ツェナーは、1％から250％の指定された許容誤差で、1V未満から20Vを超えるブレークダウン電圧で市販されています。 下の図のツェナーブレークダウン特性は、ツェナーダイオードの特性曲線の逆の部分を示しています。 逆電圧（VR）が増加すると、逆電流（IR）は曲線の「膝」まで非常に小さいままであることに注意してください。 逆電流はツェナー電流IZとも呼ばれます。 この時点で、ブレークダウン効果が始まります。 ツェナーインピーダンス（ZZ）とも呼ばれる内部ツェナー抵抗は、逆電流が急速に増加するにつれて減少し始めます。 膝の下部から、ツェナーブレークダウン電圧（VZ）は基本的に一定のままですが、ツェナー電流IZが増加するとわずかに増加します。 図：ツェナーダイオードの逆特性。 VZは通常、テスト電流と呼ばれるツェナー電流の値で指定されます。 ツェナーレギュレーション端子間の逆電圧を本質的に一定に保つ機能は、ツェナーダイオードの重要な機能です。 ブレークダウン時に動作するツェナーダイオードは、指定された範囲の逆電流値にわたって端子間でほぼ一定の電圧を維持するため、電圧レギュレータとして機能します。 電圧調整のためにダイオードをブレークダウン状態に保つために、逆電流の最小値IZKを維持する必要があります。 上の図の曲線を見ると、逆電流が曲線の膝より下で減少すると、電圧が大幅に減少し、レギュレーションが失われることがわかります。 また、最大電流IZMがあり、それを超えると、過度の電力損失によりダイオードが損傷する可能性があります。 したがって、基本的に、ツェナーダイオードは、IZKからIZMの範囲の逆電流の値に対して、端子間でほぼ一定の電圧を維持します。 公称ツェナー電圧VZは通常、データシートでツェナーテスト電流と呼ばれる逆電流の値で指定されます。 ツェナー等価回路下図は、逆ブレークダウン時のツェナーダイオードの理想モデル（最初の近似）とその理想的な特性曲線を示しています。 公称ツェナー電圧に等しい一定の電圧降下があります。 逆ブレークダウンによって生成されるツェナーダイオードの両端のこの一定の電圧降下は、ツェナーダイオードが電圧を生成しない場合でも、DC電圧記号で表されます。 図：理想的なツェナーダイオードの等価回路モデルと特性曲線。 下の図（a）は、ツェナーインピーダンス（抵抗）ZZが含まれているツェナーダイオードの実際のモデル（XNUMX番目の近似）を表しています。 実際の電圧曲線は理想的には垂直ではないため、下の図（b）に示すように、ツェナー電流（ΔIZ）の変化によってツェナー電圧（ΔVZ）がわずかに変化します。 オームの法則により、ΔVZとΔIZの比率はインピーダンスであり、次の式で表されます。通常、ZZはツェナーテスト電流で指定されます。 ほとんどの場合、ZZはツェナー電流値の全範囲にわたって小さな定数であり、純粋に抵抗性であると想定できます。 曲線の膝の近くでツェナーダイオードを動作させることは避けるのが最善です。その領域ではインピーダンスが劇的に変化するからです。 図：実用的なツェナーダイオードの等価回路とZZを示す特性曲線。 ほとんどの回路解析とトラブルシューティング作業では、理想的なモデルは非常に良い結果をもたらし、より複雑なモデルよりもはるかに使いやすくなります。 ツェナーダイオードが正常に動作している場合、逆ブレークダウンになり、その両端の公称ブレークダウン電圧を観察する必要があります。 ほとんどの回路図は、この電圧がどうあるべきかを図面に示します。 ツェナーダイオードの主な用途は、電源、電圧計、およびその他の機器で使用するための安定した基準電圧を提供するための電圧レギュレータの一種です。 ツェナーダイオードのブレークダウン電圧ツェナーダイオードでブレークダウンが発生する可能性があるため、XNUMXつの異なるメカニズムがあります。 ツェナーブレークダウンアバランシェブレークダウン以下に示します。通常、さまざまなブレークダウンはドーピング濃度に基づいて区別されます。 PN接合が高濃度にドープされている場合、ツェナーブレークダウンが発生しますが、アバランシェブレークダウンは、PN接合が非常に低濃度にドープされている場合にのみ発生します。 1. ツェナーブレークダウン：ツェナーブレークダウンは、pn接合の逆バイアス電圧が十分に高い場合に発生します。そのため、接合で生じる電界が結合電子に大きな力を加えて、共有結合から引き裂きます。 したがって、共有結合の境界が直接破裂すると、多数の電子正孔対が生成され、それによって逆電流が増加します。 このプロセスはツェナーブレークダウンと呼ばれます。 接合部温度が上昇すると絶縁破壊電圧が低下するため、温度係数は負になります。 2. アバランシェブレークダウン：熱的に生成されたキャリアが接合バリアを落下し、印加された電位からエネルギーを獲得します。 このキャリアは結晶イオンと衝突し、共有結合を乱すのに十分なエネルギーを与えます。 元のキャリアに加えて、新しい電子正孔対が作成されました。 このキャリアはまた、印加された場から十分なエネルギーを拾い上げ、別の結晶イオンと衝突し、それでも別の電子正孔対を生成する可能性があります。 このプロセスは、アバランチ乗算として知られています。 この場合、絶縁破壊電圧は温度の上昇とともに増加します。 ツェナーダイオードのブレークダウン電圧範囲は3V〜200Vです。 ツェナーダイオードの用途ツェナーダイオードのさまざまな用途は、さまざまな保護回路にあります。 ツェナーリミッター、つまり電圧波形の不要な部分をクリッピングするために使用されるクリッピング回路。 電圧レギュレータの電圧調整要素として。

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