TVSダイオード（ESD保護デバイス）静電気とは？基礎知識とESD対策

静電気の基本的な仕組みをはじめ、静電気の電圧の強さや湿度との関係など、静電気の基礎について分かりやすく解説します。

あらゆる物質は、正（＋：プラス）の電荷^※1を持つ「原子核（主に陽子）」と、負（－：マイナス）の電荷を持つ「電子」からなる原子で構成されています。電荷とは、物質や素粒子が持つ電気の量（電気量）のことです。

図1が示すように、原子核（＋）と電子（－）の電荷量が等しいとき、その物質は電気的に中性（中和状態）です。しかし、たとえば異なる物質との接触などにより、電子（－）が移動してその数が変化すると物質は正（＋）の電荷を持つ、つまり帯電した状態になります。
静電気とは、このように電子の移動によって電荷が物体に偏って蓄積された状態のことを指します。

物質によって正（＋）か負（－）のどちらの極性に、どれだけ帯電するかが異なります。後述する帯電列 ―物質による帯電の性質をご参照ください。

ほとんどの人は、金属製のドアノブなどに触れたとき、静電気による電撃を感じた経験があるのではないでしょうか。これは、人体が静電気を帯びた（帯電した）状態で、金属のような電気を通しやすい物質（導体）に触れると、蓄積された電荷が一気に放電されるためです。人は3.0kVくらいから電撃を感じると言われており、電圧による電撃の感じ方の例を以下に示します。

空調機器を使用しているオフィスや住居の室内をはじめ、特に製造現場の環境では湿度が極端に低くなる場合があります。相対湿度が低下すると帯電電圧が高まり、「ESD（静電気放電）破壊」などの静電気トラブル（後の静電気によるトラブルとESD破壊の章で解説します）につながる可能性があるため、注意が必要です。

前述の相対湿度と帯電の関係では、さまざまな行動や物質、状態が例として挙がりました。ここでは、どのようなことが静電気の発生原因となるのか、また、物質による帯電極性の違いや帯電が大きくなりやすい物質の組み合わせについて解説します。

冒頭の静電気の仕組みで説明したように、異なる物質同士が接触などした際に、物質中の電子（－）が移動し、その分布が変化することで帯電が生じます。
物質同士が接触する以外にも、図2のようにさまざまな原因で静電気が生じます。その代表的な原因を以下に示します。

このように、静電気の発生にはさまざまな原因がありますが、その際に帯電する極性や電圧の大きさは、物質やその組み合わせによって異なります。図3の「帯電列」には、物質ごとの帯電しやすさの傾向を示しています。

図3に示した帯電列では、左側に位置する物質ほど正（＋）に帯電しやすく、右側に位置する物質ほど負（－）に帯電しやすい性質を持ちます。また、接触する物質の組み合わせにおいて、帯電列上での位置が互いに離れているほど、帯電する電圧が大きくなる傾向があります。

静電気による電撃の強さ（電圧）と帯電しやすい環境で説明したように、人が金属製のドアノブに触れた際に感じる静電気でも3.0kV以上の電圧が発生しています。また、低湿度環境では、人がカーペットの上を歩くだけで35.0kVもの電圧を帯電する可能性があります。このような静電気は、製造現場をはじめ日常生活のさまざまな場面でトラブルを引き起こすリスクがあります。ここでは、静電気によるトラブルの例や、静電気放電（ESD）による破壊の原因、トラブル防止の方法について紹介します。

磁石と同じように、正（＋）に帯電した物質と負（－）に帯電した物質には引き合う力（引力）が働き、同じ極性に帯電した物質同士の間には反発し合う力（斥力）が働きます。これらの力はクーロン力と呼ばれます。
また、静電気はICなどのデリケートな電子部品の誤動作や破壊につながる場合もあります。こうした静電気の特性によって発生するトラブルの一例を以下に示します。

フィルムなどのワークの加工工程や、筐体の塗装工程前に、空気中の異物（ダスト）が付着したり、ワーク同士が貼り付いたり、部品の自動供給機（パーツフィーダ）が詰まったりすることで、不良の発生や歩留まり低下につながる場合があります。

極小部品の位置ズレによる組立不良の発生や、薬品などの包装工程において、カプセルがプラスチック容器から飛び出すことによる不良が発生する場合があります。

電子機器の組立工程において、基板の回路に静電気放電（ESD）が加わり、ICが破壊される場合があります。また、消費者が電気製品のボタンに触れたり、USBなどの各種インターフェースにプラグを抜き挿ししたりする際に、人体からESDが発生すると、機器内部のICなどの半導体部品が破壊されるおそれがあります。

ESDとは、Electrostatic Dischargeの略で、静電気放電を意味します。静電気が放電することで、IC回路の半導体デバイスに高電圧・大電流が加わり、誤動作や破壊を引き起こし、機器の故障につながる現象です。
ESD破壊の原因となる静電気放電は、主に以下の3つのモデルに分類されます。

帯電した人の手が、基板の導体部分や半導体デバイスに触れた際、急激な放電電流が発生し、それがICなどの半導体デバイスに印加されてESD破壊が起こります。また、電気機器のボタンやインターフェースを介して、人体から内部回路へ放電が生じる場合もあります。

半導体デバイスなどが摩擦などによって帯電した状態で、導体部分が接地^※3すると、急激な放電電流が流れ、ESD破壊が発生します。

帯電した導電体が半導体デバイスに接触した際に、急激な放電電流が発生し、ESD破壊につながるモデルです。たとえば、デバイス側が接地^※3されている状態で、帯電した装置の導電体部分が接触すると放電が生じます。工場の自動化設備の設計においても注意が必要な現象です。

ここでは環境や対象物の帯電、およびESD破壊を主とする静電気トラブルへの対策方法を紹介します。

前述の人体帯電モデルによる静電気トラブルへの対策は、作業者がアース線で接地されたリストストラップを手首に装着して帯電を防止したり、帯電防止マットを使用したりする方法が一般的です。これにより、ESD破壊の発生を抑制できます。
また、デバイス帯電モデルやマシンモデルによるESD破壊を防止するためには、帯電した電荷を中和するイオナイザ（除電器）を使用する方法があります。併せて湿度管理を行うことで帯電リスクを低減でき、静電気トラブルの防止につながります。

電源ポートやUSBなどの各種入出力インターフェース、操作ボタンなど、人が触れる箇所から静電気が放電されると、その過電圧が内部のIC回路に加わり、誤作動や破壊につながることがあります。これは、一般家庭やオフィスなどの使用環境においても、人体帯電モデルによるESD破壊が発生するリスクがあることを意味します。
その対策としては、ESDによって流入する過剰な電圧を抑制・分流し、ICなどの半導体デバイスを過電圧の印加から保護する「ESD保護素子」の利用が代表的です。各種インターフェースや操作ボタンからICまでの信号ライン上に設置することで、ESDによる高電圧パルスからICを保護します。
ESD保護素子の基礎知識や種類、利点などについては、「ESD保護素子とは？ESD対策部品の種類と仕組み」で詳しく解説しています。

ここでは、現代のテクノロジー環境においてESD破壊リスクが増加している背景と、ESD対策の重要性について解説します。

近年、PCをはじめ、スマートフォンやタブレットなどの電子機器は、世界中の人々にとって生活必需品となっています。これらの機器は、充電やデータ通信のためにUSBポートなどの各種インターフェースを備えています。
また、周辺ガジェットも低価格化と高機能化が進み、リチウムイオン電池を搭載し、高速充電や高速データ通信に対応した製品が急増しています。
このような電子機器の普及にともない、製造工程だけでなく、消費者の使用環境においてもESD破壊のリスクが増加していると言えます。

たとえば、大量生産・大量消費されているスマートフォンや各種ガジェットが、消費者の使用中にESD破壊を起こした場合、カスタマーサポート対応にともなう人的コスト、輸送コスト、保証修理コストなどが発生します。さらに、ESD対策が不十分な製品が市場不具合として顕在化し、販売停止やリコールにいたった場合には、企業にとって非常に大きな損失につながります。

そのため近年、電子機器の設計においては、製品内部でのESD耐性設計がますます重要視されています。こうした背景のもと、ESD保護素子のひとつとして「TVSダイオード」の採用が拡大しています。

ESD保護素子には、TVSダイオードのほか、「バリスタ」、「サプレッサ」などの種類があり、許容エネルギー、応答速度、寄生容量^※4、クランプ電圧^※5などの特性とコストがそれぞれ異なります。用途やインターフェース条件に応じて、適切な素子を選定することが重要です（詳しくは、「TVSダイオードとは？他のESD保護素子との違いや特徴」TVSダイオードとバリスタ、サプレッサの違いをご参照ください）。

なかでも半導体ベースのTVSダイオードは、応答速度が速く、寄生容量を低く抑えやすいため、高速データライン（USB、HDMIなど）や高周波信号ラインにおけるESD保護用途に適しています。また、充電用の電源ラインにおいても、回路条件に応じて、他の保護素子やフィルタと組み合わせて使用されるケースが一般的です。
適切に設計されたTVSダイオードをインターフェース近傍に配置することで、ESDによる過電圧・過電流をバイパスし、ICなどの半導体デバイスへのストレスを低減できます。これにより、製品出荷後のフィールド環境においても、ESD起因の誤動作や潜在故障リスクの低減に寄与します。

村田製作所（以下、ムラタ）では高速伝送やDC電源といった現代のニーズに対応し、高い静電気抑制力と小型化を実現したESD保護素子「TVSダイオード」をラインアップしています。

ここまでの内容を下記にまとめます。