ツェナーダイオード

ツェナーダイオードについて

ツェナーダイオード（英: Zener diode）は、定電圧ダイオードとも呼ばれ、特に安定した電圧を得るために使用されるダイオードの一種です。このダイオードは、特定の電圧（ツェナー電圧または降伏電圧とも言われる）を上回る逆バイアスによって電流が急増する特性を持っています。一般的には「ツェナー」と略称され、文献によっては「ジーナーダイオード」と表現されることもあります。

通常のダイオードは、逆方向に電圧がかかっても電流が流れない傾向がありますが、ツェナーダイオードは電圧が降伏電圧に達すると、アバランシェ降伏という現象により急激に電流が流れ始めます。この特性は、ダイオードの設計によって降伏電圧が低く設定されているためです。具体的には、PN接合部に多くの不純物を添加することで、電子がPチャネルの価電子帯からNチャネルの伝導帯へ移動しやすくなります。このような動作は、トンネル効果という現象によって支えられています。

ツェナーダイオードの動作は、物理学者のクラレンス・ツェナーによって発見されました。逆バイアスで動作するツェナーダイオードは、降伏電圧に達すると電流が流れ始め、印加電圧を増加させても電圧降下がほとんど変化しません。たとえば、降伏電圧が3.2Vのツェナーダイオードに対してそれ以上の電圧をかけると、電圧降下は3.2Vのまま保たれます。しかし、流すことのできる電流の量には限界があり、ツェナーダイオードは通常、基準電圧の生成や、電流の少ない環境での電圧安定化に用いられます。

ツェナーダイオードの降伏電圧は、添加処理を通じて非常に正確に調整できます。そのため、1.2Vから200Vの範囲で多種多様な製品が市場で流通しており、誤差は5%や10%が一般的ですが、0.05%の高精度品も存在します。アバランシェ現象に関与するダイオードも存在し、5.6V以下のシリコンダイオードでは主にツェナー現象が支配的です。そして5.6Vを越えるとアバランシェ現象が優位に働き、温度係数が変化します。

温度による影響を少なくするために、多くの場合、5.6Vのダイオードが最適とされていますが、最新の製造技術により、低電圧でも温度係数が無視できるダイオードの製造が可能になっています。一般的に、高い電圧を持つツェナーダイオードでは、温度係数が大幅に増加する傾向があります。

使用方法

ツェナーダイオードは、主に電圧を安定化させるために電気回路内で使用されます。具体的には、非安定な電圧源と並列に逆バイアス接続を行い、降伏電圧を超えた際にツェナー効果を発揮して定電圧を維持します。

回路において、電源からダイオードへの電圧降下は抵抗Rにかかります。この抵抗値は、次の二つの条件を満たす必要があります。まず、ダイオードが降伏状態を維持するための流れる電流を確保するために、抵抗Rは充分に小さくなければなりません。次に、ダイオードに流れる電流が大きすぎてダイオードを破壊しないよう、抵抗Rは充分に大きくすべきです。これにより、ツェナーダイオードを活用した「シャントレギュレータ」が完成します。アバランシェ現象とツェナー現象を組み合わせて使用するケースも多く、さまざまな回路設計に役立っています。

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