静電気放電保護用ダイオード（ESD保護ダイオード）の電気的特性について教えてください。

ESD保護ダイオード特有の電気的特性（ピーク逆動作電圧、クランプ電圧、ダイナミック抵抗）について説明します。これらの電気的特性は、保護性能などの指標を表す重要な特性です。

ESD保護ダイオードはツェナーダイオードの一種です。ESD保護ダイオードは、有害な静電気放電（ESD）に敏感な集積回路（IC）などの素子をESDから保護する上で重要な役割を果たします。このため電気的特性項目はツェナーダイオードに準じた項目もありますが、ESD保護ダイオードとして特有で重要な特性があります。ここでは主にこの特有な電気的特性について説明します。

ESD保護ダイオードは通常時は動作しません。ESDなどの異常パルスの侵入時のみオンして、不要で有害なエネルギーからICなどの被保護素子を守ります。したがって、以下の観点からみた特性が重要です。

  • 通常時オンしない（通過信号を歪ませない）　→　ピーク逆動作電圧（VRWM）
  • ESDなどの異常パルス侵入時に確実にオンする　→　クランプ電圧（VC）
  • 被保護素子を異常パルスから守る　→　クランプ電圧（VC）、ダイナミック抵抗（RDYN）

以下に各項目に対する説明をします。

ピーク逆動作電圧VRWM：
この逆電圧を印加してもESD保護ダイオードはオフ状態であり、リーク電流IR以下の電流しか流れません。信号VIN（図-2 ESD保護ダイオード挿入例）の最大電圧はこの電圧を超えてはいけません。この電圧を超えるとクランプされます。
以下のFAQも参考にしてください。
保護する信号ラインの電圧レベルに対して、何を基準にESD保護素子を選択すればいいですか？

図-1　IF-VFカーブ　電気的特性の定義
図-1　IF-VFカーブ　電気的特性の定義
図-2　ESD保護ダイオード挿入例
図-2　ESD保護ダイオード挿入例

クランプ電圧VC：
高電流印加時のオン電圧です。類似の特性に逆方向降伏電圧（ブレークダウン電圧）VBRやツェナーダイオードのツェナー電圧VZがあります。VBRやVZは小電流（数 mA）で定義されます。
ESD（Electrostatic Discharge）はその名のとおり蓄積された電荷の放電 = 電流 と考えることができます。このため、クランプ電圧はESDなどが印加されたときのアノード・カソード間の電圧値（ ＝ 被保護素子に印加される電圧）の目安として定義されています。
測定に使用される波形はIEC61000-4-5で規定される電流パルス（図-3）です。ピーク電流も製品によって異なりますが、0.5 A～60 Aと高電流です。このパルス電流をESD保護ダイオードの逆方向に印加したときの端子間の最大電圧をクランプ電圧と定義しています。
IEC61000-4-5に関しては、以下のFAQを参考にしてください。
IEC61000-4-5とは何ですか？

図-3　IEC61000-4-5電流パルス波形
図-3　IEC61000-4-5電流パルス波形

逆方向降伏電圧（ブレークダウン電圧）VBR：
逆電圧方向のダイオードの立ち上がりの電圧です。クランプ電圧と混同されることがありますが、1 mA～5 mA程度の小電流を流したときの電圧値です。

ダイナミック抵抗RDYN：
逆電圧方向の電流の異なる2点のクランプ電圧VCの傾きです。一般に保護性能を判断する基準としてVCが用いられています。ダイナミック抵抗の低い製品ほど、高電流での電圧の上昇を抑えることができます。
ダイナミック抵抗の測定ではIEC6100-4-5の波形ではなく異なる電流値の2つのTLP波形を用います。一般の抵抗と同様に下記で定義されます。
RDYN = ΔVTLP / ΔITLP = (VTLP2 – VTLP1) / (ITLP2 – ITLP1)
クランプ電圧VCが同じ製品ではダイナミック抵抗が大きいと高電流でクランプ電位が高くなります。（図-1の赤点線のライン）
同じクランプ電圧であれば、ダイナミック抵抗の低い製品ほど守る性能が高いと言えます。
TLPに関しては、以下のFAQを参考にしてください。
TLP試験とは

関連リンク

FAQ

アプリケーションノート

製品ラインアップについては、以下のページ、ドキュメントをご参照ください。

TVSダイオード (ESD保護用ダイオード)
製品ページ
TVSダイオード (ESD保護用ダイオード) の基礎
e-ラーニング

このFAQ内で使用している社名・商品名・サービス名などは、それぞれ各社が商標として使用している場合があります。

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