静電気対策に使用されるESD保護ダイオードはどのように動作しますか？

ここで回路が正常に動作しているときとESDなどの異常な電圧が侵入したときの動作を考えます。

通常時の動作では、ESD保護ダイオードはオフの状態にあります。
ただし、pn接合ジャンクション面に発生する空乏層などにより端子間容量CTを持つコンデンサーとなります。製品によりこの値は異なり、小さいものでは0.1 pF程度の製品もあります。

ESDなどの異常電圧が印加されると、ESD保護ダイオードはオンの状態になります。
このときESD保護ダイオードは電圧源と微小なダイナミック抵抗（動的抵抗）R_DYNを持つ素子として考えることができます。電圧源は印加電圧がダイオードに対し順方向の場合、順電圧V_F、逆方向の場合、クランプ電圧V_C（大電流で定義されるツェナー電圧）です。

このようにオフ時はコンデンサー、オン時は電圧源と微小抵抗として動作します。扱う信号が高周波の時は端子間容量にも注意して選択する必要があります。
オン時の微小抵抗（ダイナミック抵抗 R_DYN）について考えます。
ESDなどの異常電圧侵入時のもっとも単純な回路構成は以下です。

ESD保護回路は図に示すように、被保護回路に並列に接続されています。従って、ESD保護回路の異常入力侵入時の電圧V_ESDは被保護回路にも印加されます。（実際にはパターンなどの寄生インダクタンスや寄生容量があるので少し電圧とタイミングが異なることがあります。）また、被保護回路に流れる電流IProは内部にある能動回路の状態に影響されますが、V_ESDに依存します。
従って、V_ESDを下げることが被保護回路を守るうえで最も重要なことになります。このV_ESDはESD保護ダイオードのクランプ電圧に依存します。
図-5のオン時の等価回路を見ると、電圧源（クランプ電圧）に直列に抵抗（ダイナミック抵抗）があります。従って、電流が大きくなるとこの抵抗による電圧降下分がクランプ電圧に加算されることになります。
静電気放電（ESD）は物質に蓄積された電荷が接触などにより放電される現象です（詳しい説明はFAQ：”静電気放電（ESD : Electrostatic Discharge）とは何ですか？”を参照ください）。
静電気放電（ESD : Electrostatic Discharge）とは何ですか？

コンデンサーに蓄積された電荷が放電される時のように、接触直後の電流は非常に高い電流です。例えば、ESD試験として知られる図-7に示すIEC 61000-4-2の試験波形ではピーク値は30 Aにもなります。仮にダイナミック抵抗が0.5 Ωだとすると、15 Vの電圧降下が生じます。
従って、ESD保護ダイオードを選択する場合、クランプ電圧が低いだけでなくダイナミック抵抗による電圧降下を考慮し、できるだけ低いものを選択することが保護性能を高める上で重要です。

また、図-7を見て分かるように、ESDのパルスは非常に短時間で印加される高周波のパルスです。このため、ESD保護ダイオードの性能を生かしきるためには、配置や接続するためのパターンにも注意が必要です。
詳しくはFAQ：“TVSダイオード(ESD保護ダイオード)基板設計の注意点”を参照ください。
TVSダイオード(ESD保護ダイオード)基板設計の注意点