静電気保護用ダイオード（ESD保護ダイオード）とは何ですか？

静電気保護用ダイオード（ESD保護ダイオード）はツェナーダイオードの一種で、主にESD対策用途に最適化されたダイオードです。

USBラインなどの外部に露出した端子から入るESDなどの耐圧を超える大きな電圧から集積回路を保護する目的に使用されます。
ESD保護ダイオードはTVSダイオードとも呼ばれます。ただし、TVSダイオードは Transient Voltage Suppressor Diodeの略で、ESDだけでなく雷サージや開閉サージ、通常の信号におけるリップル対策まで広い範囲を対応するダイオードを示します。
当社にも開閉サージに対応したダイオードをラインアップしています。
（過電圧保護に適したツェナーダイオードを参照ください）
過電圧保護に適したツェナーダイオード

ESD保護ダイオードはESDが侵入しない通常の状態では動作せず、ESDなどの過大入力が印加されたときのみ動作しICなどの被保護素子を守ります。この用途に対しては従来からツェナーダイオードが使用されてきました。
ツェナーダイオードはpn接合ダイオードの逆バイアス特性を利用したダイオードです。pn接合ダイオードに逆バイアスを印加すると、ある電圧（降伏電圧 VZ）でなだれ降伏（アバランシェ降伏）が生じます。この降伏電圧は流れる電流に対してほぼ一定の電圧を示します。最近は少なくなりましたが、定電圧が必要な場合に使用されました。このことから定電圧ダイオードとも呼ばれます。ツェナーダイオードでは、接合部のp層ｎ層の濃度を最適化し、求められる各種電圧をラインアップしています。

ESD保護で使用される場合、図-1に示すように入力信号VINが
0＜ VIN < VZ* となるようにツェナーダイオードを選ぶようにすることで、保護が可能となります。

一般的にESDから素子などを保護するためのダイオードはESDなどが混入する恐れのある信号ラインとGNDの間に図-2に示すように挿入されます。このダイオードに求められる特性をまとめると以下になります。

  1. 通常時はオンしないだけでなく、信号を劣化させない
    • 通過信号電圧範囲（ダイオード非導通の範囲）の明確化
    • 端子間容量の低減
  2. 異常電圧侵入時にオンするだけではなく、保護対象に加えられる電圧・電流を極力小さくする。
    • 高電流領域でのツェナー電圧増加率の低減
    • 高電流領域でのツェナー電圧の規格化

ESD保護ダイオードは通常のツェナーダイオードに対して、これらの要求に最適化したデバイスになっています。以下のFAQを参考にしてください。
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。（ダイナミック抵抗、クランプ電圧）

図-1　ツェナーダイオードの I-V 波形と入力信号範囲
図-1　ツェナーダイオードの I-V 波形と入力信号範囲

実際にESD保護ダイオードが必要かどうかは、TLP波形によるシミュレーション、MMやHBMなどの各種デバイスレベルESD試験やシステムレベル試験（IEC 61000-4-2）を行ったうえで判断します。
ただし、試験の判定後に保護ダイオードを新規に挿入するためには基板変更が必要で大変な労力が必要なだけでなく、保護性能を十分に生かしきれない可能性もあります。必要な可能性のあるI/O端子には挿入できるように事前に考えておく必要があります。ESD保護ダイオードの基板設計については以下のFAQを参考にしてください。
TVSダイオード(ESD保護ダイオード)基板設計の注意点

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

また、ESD保護ダイオードを選択するうえでは、保護が必要な信号ラインの特性に合わせて選択することが必要です。選択方法については、以下のFAQを参考にしてください。
TVSダイオード（ESD保護ダイオード）の選択方法

当社のESD保護ダイオードは裏面電極タイプの超小型素子から汎用PKGまでの幅広いラインアップだけでなく、USBやHDMIなどのマルチビットに対応したフロースルータイプのパッケージも提供しています。また、搭載されている半導体チップはESD保護に特化したプロセスを採用し、低ダイナミック抵抗・低容量を実現しています。下記記事も合わせてご参考ください。
豊富なパッケージラインアップ：マルチビットタイプパッケージ
低ダイナミック抵抗

* ツェナー電圧VZは温特を持ちます。VZに対しては余裕を持った設定にする必要があります。

関連リンク

TVSダイオード (ESD保護用ダイオード) の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

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