しかしながら、ツェナー ダイオードまたは「ブレイクダウン ダイオード」と呼ばれるものは、基本的には標準的な PN 接合ダイオードと同じですが、印加されるあらゆる逆電圧を利用するために、低く指定された逆ブレークダウン電圧を持つように特別に設計されています。
ツェナーダイオードは、シリコンのPN接合からなる通常の汎用ダイオードと同じように動作し、順方向にバイアスがかかっている場合、つまりアノードがカソードに対してプラスの場合、定格電流を流す通常の信号ダイオードと同じように動作します。
しかしながら、逆方向にバイアスされているとき、つまりカソードがアノードよりも正になっているときには、電流の流れを遮断する従来のダイオードとは異なり、逆電圧があらかじめ決められた値に達するとすぐに、ツェナーダイオードは逆方向に導通し始めます。
これは、ツェナーダイオードに印加される逆電圧がデバイスの定格電圧を超えると、半導体の空乏層でアバランシェブレークダウンと呼ばれるプロセスが発生し、この電圧上昇を制限するためにダイオードに電流が流れ始めるためです。
ツェナーダイオードを流れる電流は、最大回路値（通常は直列抵抗で制限されます）まで劇的に増加し、いったん達成されると、この逆方向の飽和電流は幅広い逆電圧範囲でほぼ一定になります。
ツェナーダイオードにかかる電圧が安定するポイントは「ツェナー電圧」（Vz）と呼ばれ、ツェナーダイオードの場合、この電圧は1ボルト未満から数百ボルトの範囲になります。
ツェナー電圧がダイオードに電流を流すきっかけとなるポイントは、ダイオードの半導体構造のドーピング段階で非常に正確に制御することができ（公差1%未満）、例えば4.3Vや7.5Vといった特定のツェナーブレークダウン電圧（Vz）が得られます。
ツェナーダイオードの I-V 特性
ツェナーダイオードは「逆バイアス」または「逆ブレークダウン」モードで使用され、ダイオードのアノードはマイナスの電源に接続されます。 上のI-V特性曲線から、ツェナーダイオードの逆バイアス特性には、ダイオードを流れる電流の値にかかわらず、ほぼ一定の負の電圧が発生する領域があることがわかります。
この電圧は、ツェナーダイオードの電流が絶縁破壊電流IZ(min)と最大定格電流IZ(max)の間にあれば、電流が大きく変化してもほぼ一定に保たれます。
このツェナーダイオードの自己制御能力は、電源や負荷の変動に対する電圧源の調整や安定化に大きな効果を発揮します。
電圧レギュレータの機能は、電源電圧のリップルや負荷電流の変動にもかかわらず、並列に接続された負荷に一定の出力電圧を供給することです。 ツェナーダイオードは、ダイオードの保持電流が逆ブレークダウン領域の最小値IZ(min)を下回るまで、電圧を調整し続けます。
ツェナーダイオードのレギュレータ
ツェナーダイオードは、負荷電流が変化する条件下で、低リップルの安定した電圧出力を生成するために使用できます。
これまでのチュートリアルで、半波または全波整流器からの DC 出力電圧にはリップルが重畳しており、負荷の値が変化すると平均出力電圧も変化することを思い出しました。
ツェナーダイオードレギュレータ
ツェナーダイオードを流れる電流を制限するために、ツェナーダイオードと直列に抵抗RSが接続され、その間に電圧源VSが接続されます。
ツェナーダイオードは、そのカソード端子がDC電源のプラスレールに接続されているため、逆バイアスされており、そのブレークダウン状態で動作します。
回路に負荷が接続されていない状態では、負荷電流はゼロ（IL = 0）となり、すべての回路電流はツェナーダイオードを通過し、その結果、最大電力が消費されます。
負荷はツェナーダイオードと並列に接続されているので、RLにかかる電圧は常にツェナー電圧と同じになります（VR = VZ）。 電圧の安定化が有効となる最小のツェナー電流があり、ツェナー電流は、負荷がかかった状態で動作しているときに、常にこの値以上で、その降伏領域内に収まっていなければなりません。 電流の上限は、当然ながらデバイスの定格電力に依存します。
ツェナーダイオードの安定化回路の小さな問題として、電圧を安定化させようとするために、ダイオードがDC電源の上に電気ノイズを発生させることがあります。 通常、これはほとんどのアプリケーションで問題にはなりませんが、ツェナーの出力全体に大容量のデカップリング・コンデンサを追加して、さらにスムーズにする必要があるかもしれません。
それでは少しまとめます。 ツェナーダイオードは、常に逆バイアス状態で動作します。
ツェナー・ボルテージ・レギュレーターは、入力電圧VSと直列に接続された電流制限抵抗RSと、逆バイアス状態の負荷RLと並列に接続されたツェナー・ダイオードで構成されています。
ツェナーダイオードの例 No1
12VのDC電源入力ソースから5.0Vの安定化電源を生成する必要があります。 ツェナーダイオードの最大定格電力PZは2Wです。 上記のツェナー・レギュレーター回路を用いて、以下の計算を行う。) ツェナーダイオードに流れる最大電流
b). 直列抵抗の最小値RS
c). ツェナーダイオードに1kΩの負荷抵抗を接続した場合の負荷電流IL
d). 全負荷時のツェナー電流IZ。
ツェナーダイオードの電圧
単一の安定した電圧出力を生成するだけでなく、ツェナーダイオードを通常のシリコン信号ダイオードと一緒に直列に接続して、以下に示すようなさまざまな異なる基準電圧出力値を生成することもできます。
直列に接続されたツェナーダイオード
個々のツェナーダイオードの値はアプリケーションに合わせて選択できますが、シリコンダイオードは順方向バイアス状態では常に約0.6～0.7V降下します。
一般的な電子回路用のツェナーダイオードは、500mWのBZX55シリーズ、またはより大きな1.3WのBZX85シリーズで、ツェナー電圧は、例えば7.5VのダイオードであればC7V5のように示されます。
500mWシリーズのツェナーダイオードは、約2.4から約100ボルトまでの電圧に対応しており、通常、5% (E24) 抵抗シリーズに使用されているのと同じ値の並びになっています。
ツェナー ダイオードの標準ツェナー電圧
これまで、ツェナー ダイオードを使用して一定の DC ソースを調整する方法を見てきましたが、入力信号が定常 DC ではなく、交流波形であった場合、ツェナー ダイオードは常に変化する信号にどのように反応するでしょうか。
ダイオードのクリッピングおよびクランプ回路は、入力されたAC波形（または任意の正弦波）を成形または修正するために使用される回路で、回路の配置に応じて異なる形状の出力波形を生成します。 ダイオードクリッパー回路は、入力AC信号の正（または負）の部分を制限または切り取ることから、リミッターとも呼ばれる。
例えば、出力波形を+7.5Vでクリップしたい場合、7.5Vのツェナーダイオードを使用します。 出力波形が7.5Vの制限を超えようとすると、ツェナー・ダイオードが入力からの過剰電圧を「クリップオフ」して、出力を+7.5Vに一定に保ちながら、トップが平らな波形を作り出します。 ツェナーダイオードは順方向にバイアスされた状態でもダイオードであり、AC波形の出力が-0.7V以下のマイナスになると、ツェナーダイオードは通常のシリコンダイオードのように「オン」になり、下図のように-0.7Vで出力をクリップします。
矩形波信号
背中合わせに接続されたツェナーダイオードは、冗談で「貧乏人の矩形波ジェネレータ」と呼ばれるものを生成するACレギュレータとして使用することができます。
例えば、2つの異なる最小値と最大値、例えば+8Vと-6Vの間で出力波形をクリップしたい場合、単純に2つの異なる定格のツェナーダイオードを使用します。
つまり、ダイオードにかかる順方向のバイアス電圧降下が各方向に0.7ボルトずつ追加されるため、期待される14ボルトではなく、ピーク間電圧が15.4ボルトになります。
このタイプのクリッパー構成は、電子回路を過電圧から保護するためにかなり一般的です。 2つのツェナーは通常、電源の入力端子を挟んで配置され、通常の動作時にはツェナー・ダイオードの片方が「オフ」になっているため、ダイオードはほとんど影響を受けません。
次回のダイオードのチュートリアルでは、ダイオードの順方向にバイアスされたPN接合を使って光を出すことを見てみましょう。 これまでのチュートリアルで、電荷キャリアが接合部を移動すると、電子が正孔と結合し、エネルギーが熱として失われることがわかっていますが、このエネルギーの一部は光子として放散されますが、私たちには見えません。