ツェナーダイオード

【ツェナーダイオードとは？ 】
ツェナーダイオードは定電圧ダイオードとも呼ばれるダイオードの一種です。
一般的にダイオードは順方向で使用するのに対し、ツェナーダイオードは逆方向で使用します。
ダイオードはアノード側からカソード側に電圧を印加することによって電流が流れるが、逆方向には流れないという特性（整流作用）があります。
ダイオードに逆方向電圧を印加した場合、ある電圧を超えると急激に大きな電流が流れ始めます。
これを降伏現象といい、この時の逆方向電圧の大きさを降伏電圧（ツェナー電圧）といいます。
「電流は増加するが、電圧は一定に保たれる」 という降伏現象の特性を利用したのがツェナーダイオードです。

【ツェナーダイオードの原理】
降伏現象はツェナー現象、アバランシェ現象と呼ばれる２つの現象が関連しています。
ダイオードに逆電圧を印加することによってPN接合部に空乏層ができますが、不純物濃度の高い半導体においては空乏層が薄くなります。ここに高電界がかかることにより、トンネル効果で電子が空乏層を飛び越え電流が流れます。これがツェナー効果です。
半導体内部に強い電界がかかった場合、電子や正孔が加速衝突を起こし、自由電子として放出され、放出した電子がまた加速され…といった具合に急激に増加していきます。その結果として空乏層を超えて電流が流れるようになります。これをアバランシェ現象といいます。
一般的に低電圧のツェナーダイオードにトンネル効果が、高電圧のツェナーダイオードにはアバランシェ効果が関係します。

【ツェナーダイオードの特性】
ツェナーダイオードには以下２つの重要な特性があります。

・温度特性
ツェナーダイオードはツェナー電圧により温度特性が変化する、という特徴があります。
前項で説明した通り、ツェナーダイオードにはトンネル効果、アバランシェ効果が関わっていますが、トンネル効果は負の温度係数、アバランシェ効果は正の温度係数を持っています。
つまり、ツェナー電圧の低いものは温度上昇によってツェナー電圧が低下し、ツェナー電圧の高いものは温度上昇によってツェナー電圧が増加することになります。
５V程度のツェナー電圧ではトンネル効果とアバランシェ現象が同程度に作用しあうため、周囲温度による影響を受けづらいということになります。
また、正と負の温度係数を持ったダイオードを直列で繋ぐことで、温度係数を打ち消すこともできます。

・ノイズ
ツェナーダイオードを使用する際はノイズの原因となることに気を付けなければいけません。
ツェナーダイオードにはツェナー電圧が高くなるほどノイズが大きく、電流量が多いほど小さくなる、という傾向があります。
ノイズ対策として、ツェナー電圧の低い素子を複数直列接続する、ツェナーダイオードに流す電流を増やす等の方法があります。


<参考文献>
https://deviceplus.jp/hobby/zener-diode/
https://contents.zaikostore.com/semiconductor/4616/
https://engineer-education.com/zener-diode/