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🔧 ESD保護素子の構造と動作原理

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📘 概要

ESD保護回路では、高電圧スパイクを安全に逃がすための素子が重要な役割を果たします。
ここでは、代表的なESD保護素子の構造とその動作原理について解説します。

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🔋 主なESD保護素子と特徴

素子名	特徴	主な用途
ダイオード（Clamp Diode）	単純・高速、低容量	低電圧I/Oの基本構成
GGNMOS（Gate-Grounded NMOS）	放電時のみ動作、ON抵抗低い	パッド横・電源ライン保護
SCR（Silicon Controlled Rectifier）	高電流耐性、トリガ必要	高耐圧I/O・パワーライン
TLP素子／TVSダイオード	パッケージ外付け、応答早い	センサ端子、外部IF向け

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📌 各素子の構造と動作原理

① クランプダイオード（Clamp Diode）

          +3.3V
            │
        ┌───┴───┐
        │       │
     →─┘       └─→ GND
  入力パッド

• 順方向：VDD側に電流を逃がす
• 逆方向：GND側へ吸収
• 特徴：高速応答・低容量・単純

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② GGNMOS（Gate-Grounded NMOS）

• ゲートをGNDに常時接続
• 放電電圧（Vt + Δ）でチャネルが一気にオン
• 寄生バイポーラ（n+/p-sub/n+）が動作
• 電流をソース→ドレイン方向に逃がす

  [I/O]──┬───────┐
       │       │
     [D]      [S]
       └───┬───┘
          [G]
          GND
  

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③ SCR（Silicon Controlled Rectifier）

• NPN-PNP構造を利用した寄生サイリスタ動作
• トリガ電圧で一気に導通し、大電流を低抵抗で処理
• 構造が複雑・誤動作の制御が課題
• 最近ではLVTSCR（低電圧トリガ型SCR）が実用的

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⚖️ 各素子の比較

指標	ダイオード	GGNMOS	SCR
応答速度	◎	○	△（トリガ必要）
電流耐性	△	○	◎
容量負荷	小	中	大
レイアウト面積	小	中	大

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📚 教材的意義

• 各素子の構造とESD応答モードの違いを把握
• デバイスのON条件と保護経路を理解できる
• 実際のI/Oセル設計との関係を学ぶ足がかりになる

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🔗 次のセクション

• esd_layout.md：保護素子を活かすレイアウト設計へ

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