TVS二极管（ESD保护装置）什么是静电？基础知识和ESD对策

对静电的基本原理、静电与电压的强度和湿度之间的关系等静电的基础知识进行通俗易懂的解说。

全部物质都由原子构成，原子由带正电荷^*1（＋）的“原子核（主要由质子组成）”和带负电荷（－）的“电子”组成。电荷是指物质或基本粒子所带的电量。

如图1所示，当原子核（＋）和电子（－）的电荷量相等时，物质处于电中性（中和状态）。然而，如果由于接触其他物质等原因而导致电子（－）移动且数量发生变化，该物质就会带正电荷（＋），即变为带电状态。
静电是指此类由于电子发生移动而导致电荷在物体上不均匀积蓄的状态。

不同物质的带电程度以及带正电（＋）还是负电（－）各不相同。请参照后文所述的带电序列——不同物质的带电性质。

大多数人可能都经历过因静电而感受电击的情况，例如触摸金属门把手时。这是因为当人体处于带静电的状态并接触到易类似金属的易导电物质（导体）时，积蓄的电荷会瞬间释放。据说，人们在电压达到3.0kV左右时就能感受到电击，以下列举了一些不同电压下人体会如何感受电击的示例。

在办公室、住宅等使用空调的室内，尤其是在生产现场环境中，湿度可能会变得非常低。相对湿度降低可能会增加带电电压，从而导致“ESD（静电放电）损坏”等静电问题（将在后面的静电带来的问题和ESD损坏一章中解说），因此需要注意。

在上述相对湿度与带电的关系中，我们列举了多种行为、物质和状态作为例子。在这里，我们将对什么是静电的产生原因、不同物质的带电极性差异以及容易大量带电的物质组合进行相关解说。

正如在开头的静电的原理中所说明的那样，不同物质之间发生相互接触等情况时，物质中的电子（－）会移动，其分布的变化会导致带电。
除了物质之间相互接触外，静电还会因多种原因而产生，如图2所示。以下列出了代表性的原因。

如上所述，静电的产生原因多种多样，但此时的带电极性和电压大小会因物质及其组合而异。图3的“带电序列”显示了每种物质的易带电程度倾向。

在图3所示的带电序列中，位于左侧的物质更容易带正电（＋），位于右侧的物质更容易带负电（－）。此外，在发生接触的物质组合中，呈现出在带电序列上的位置相隔越远，带电电压就越大的倾向。

正如“静电引起的电击强度（电压）以及易带电的环境”中所述，即使是人触摸金属门把手时感受到的静电也会产生3.0kV或更高的电压。此外，在低湿度环境中，仅仅在地毯上行走就可能会产生高至35.0kV的电压。如上所述，静电在生产现场等日常生活的多种场面都有引发问题的风险。在本文中，将对静电带来的问题示例、静电放电（ESD）造成损坏的原因以及预防问题的方法进行相关介绍。

与磁铁相同，相互吸引的力（引力）在带正电（＋）的物质和带负电（－）的物质之间产生作用，相互排斥的力（斥力）在相同极性的带电物质之间产生作用。这些力被称为库仑力。
此外，静电还可能会导致IC等精细电子元件发生故障或损坏。以下是静电特性导致的问题示例。

在薄膜等工件的加工工序和外壳的喷涂工序之前，可能会因空气中的异物（灰尘）粘附在工件上、工件之间相互粘连、元件的自动供给机（零件供给器）堵塞等原因而发生缺陷并降低成品率。

非常小的零件的错位可能导致装配缺陷，在药品等的包装工序中，胶囊可能会从塑料容器中脱落，造成产品缺陷。

在电子设备的装配工序中，静电放电（ESD）作用于电路板，可能会损坏IC。此外，当消费者触摸电气产品上的按钮或对USB等多类接口进插拔插头时，人体产生的ESD也可能损坏设备内部的IC等半导体元件。

除了如上述照片所示的ESD造成IC烧毁等损坏外，静电放电时产生的电磁噪声也会导致电子设备故障，此外，在某些情况下，还会因静电引发起火、爆炸和火灾事故等。

ESD是Electrostatic Discharge的缩写，意思是静电放电。通过静电放电，高电压和大电流会施加到IC电路的半导体器件上，导致故障和损坏，并可能造成设备故障。
ESD损坏的原因——静电放电主要分为以下三种模式。

当带电的人手接触电路板的导体部分或半导体器件时，会产生急速放电电流，该电流施加到IC等半导体器件，造成ESD损坏。此外，人体还有可能通过电气设备的按钮或接口将静电释放到内部电路。

在半导体器件等因摩擦等原因而处于带电的状态下，其导体部分如果接地^*3，会流过急速放电电流，从而产生ESD损坏。

这是带电导体与半导体器件接触时产生急速放电电流，从而导致ESD损坏的模式。例如，在器件接地*3的状态下，当带电装置的导体部分与其接触时就会产生放电现象。在工厂的自动化设备设计中，这也是一种需要注意的现象。

在此介绍环境和对象物体的带电以及针对以ESD损坏为主的静电问题的对策方法。

关于针对上述人体带电模式导致的静电问题的对策，一般的方法有 : 作业人员在手腕上佩戴通过接地线接地的腕带以预防带电，或使用带电预防垫。这些措施可以遏制ESD损坏的发生。
此外，为了预防器件带电模式和机器模式造成的ESD损坏，还有一种方法是使用离子发生器（静电消除器）对带电电荷进行中和的方法。通过结合湿度管理可以帮助降低带电风险并预防静电问题。

当静电从人体接触的位置（电源端口、USB等多类输入/输出接口和操作按钮等）释放时，产生的过电压可能会施加到内部的IC电路，导致故障或损坏。这意味着即使在一般的家庭和办公室等使用环境中，也存在通过人体带电模式而导致发生ESD损坏的风险。
作为其对策，代表性的方法是使用“ESD保护元件”，它可以遏制和分流因ESD而流入的过电压，从而保护IC等半导体器件免受过电压的损害。通过在从多类接口和操作按钮到IC的信号线上设置ESD保护元件，可以保护IC免受ESD引起的高压脉冲的影响。
关于ESD保护元件的基础知识、种类和优势等，在“什么是ESD保护元件？ESD对策元件的种类和工作原理”中进行了详细解说。

在此对当今技术环境下的ESD损坏风险日益增加的背景以及ESD对策的重要性进行相关解说。

近年来，PC、智能手机和平板电脑等电子设备已成为世界各地人们的生活所需品。这些设备配备了用于充电和数据通信的USB端口等多类接口。
此外，周边设备也朝着价格低和高功能的方向发展，配备锂离子电池并支持急速充电和急速数据通信的产品数量迅速增加。
随着此类电子设备的普及，ESD损坏的风险不仅在制造工序中，而且在消费者的使用环境中也不断增加。

例如，如果大量生产、大量消费的智能手机或多类电子设备在消费者使用过程中引起ESD损坏，将会产生客户支持人员成本、运输成本和保修成本等费用。此外，如果ESD对策不充分的产品在市场上出现缺陷，导致销售停止或召回，可能会给企业造成非常重大的损失。

因此，近年来，在电子设备的设计中，产品内部的ESD防护设计变得越来越重要。在此背景下，作为ESD保护元件之一的“TVS二极管”的应用日益普遍。

ESD保护元件除了有TVS二极管之外，还有“压敏电阻”和“遏制器”等种类，它们的能量容差、响应速度、寄生电容^*4和钳位电压^*5等特性和成本各不相同。根据用途和接口条件选择合适的元件至关重要（详情请参照“什么是TVS二极管？与其他ESD保护元件之间的区别和特征”的“TVS二极管、压敏电阻和遏制器之间的区别”）。

其中，基于半导体的TVS二极管由于其响应速度快且易于将寄生电容遏制在较低值，特别适合用于高速数据线（USB、HDMI等）和高频信号线的ESD保护用途。此外，在用于充电的电源线中，一般也会根据电路条件与其他保护元件和滤波器组合使用。
通过在接口附近放置设计合理的TVS二极管，可以旁路ESD引起的过电压和过电流，从而降低对IC等半导体器件的应力。这一对策即使在产品出货后的现场环境中，也有助于降低因ESD引起的故障和潜在故障风险。

村田制作所（以下简称“村田”）提供实现了高静电遏制力和小型化的ESD保护元件——“TVS二极管”，以满足高速传输和DC电源等现代应用需求。

以上内容总结如下 :