다이오드

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그림 1: 다양한 반도체 다이오드. 아래: 브릿지 다이오드(bridge rectifier). 검정색 바탕인 경우에 흰색 줄이, 또는 유리에 검정색 줄이 표시되어 있는 전극이 캐소드(cathode)로, 순뱡향일 때 음전압을 인가하면 전류가 흘러나온다.[1][2][3][4]
그림 2: 진공관(vacuum tube) 다이오드.

다이오드(diode)는 저마늄(영어: germanium 또는 게르마늄(독일어: germanium), Ge)이나 규소(Si)로 만들어지고, 주로 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자를 말한다. 정류, 발광 등의 특성을 지니는 반도체 소자이다.

최초의 다이오드는 진공관(vacuum tube)으로 만들어졌다. 진공관 다이오드는 플레이트 전극(anode)와 열음극(熱陰極, hot cathode)으로 두개의 전극으로 이루어진다.

오늘날의 대부분의 다이오드는 실리콘(Si,silicon)으로 만들어 지지만, 셀레늄(selenium)이나 저마늄(germanium) 등의 반도체 등을 사용하기도 한다.[5] 대부분의 반도체 다이오드는 p-n 접합으로 두개의 전극을 갖는 반도체 결정체(crystalline) 이다.[6]

반도체 다이오드[편집]

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다이오드는 반도체의 PN 접합에 바탕을 두고 있다. PN 다이오드에서 전류는 P형 반도체(anode) 면에서 N형 반도체(cathode) 면으로만 흐를 수 있다.

접합 후 공핍층 형성[편집]

위: p–n 접합 확산 전; 아래 : 확산의 평형상태
위: 정공과 전자의 밀집; 두 번째: 전하 밀도; 세 번째: 전기장 형성; 아래: 전위

공핍 영역(depletion region)은 p–n 접합 후, 바로 즉각적으로 형성된다. 접합 후 열평형이 이루어지면서 안정상태로 되고, 이것을 동적 평형이라고 부른다.[7] [8]

다이오드의 전류-전압 특성 곡선은 PN 접합의 소위 공핍층(空乏層, depletion layer, 또는 소모층)의 행동에 의한 것으로 해석된다. PN 접합이 처음 생성되면, N영역의 자유영역 전자들이 정공이 많은 P영역으로 확산된다. 자유 전자들이 정공과 결합한 후에는 정공은 사라지며 전자들은 더 이상 자유롭지 못하게 된다. 따라서 두 속성의 전하 캐리어들(정공과 전자)이 모두 사라지고, PN 접합 주변 지역은 마치 부도체인 것처럼 동작한다. 이를 재결합이라고 한다. 하지만 공핍층의 크기에는 한계가 있고 얼마 후에는 재결합이 끝나게 된다.

바이어스에 의한 전류[편집]

p–n 접합 다이오드의 I–V 특성.

다이오드의 전류-전압 특성은 두 동작영역으로 나눠 설명할 수 있다.

  • 순방향 바이어스 : 외부 전압을 다이오드 공핍층에 생긴 built-in potential과 반대 극 방향으로 걸어주면, 재결합을 다시 시작한다. 결국 PN 접합을 지나 상당한 양의 전류가 흐른다. potential의 차가 커지면 다이오드의 전도성이 커지며 전하가 흐르기 시작한다. 이때 다이오드는 마치 저항이 매우 작거나 없는 물질처럼 행동한다. 보통 다이오드 양단에 전류가 흐르면 전압이 일정하게 낮아진다. 실리콘 다이오드는 0.6-0.7볼트 정도이며, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.4볼트, LED의 경우에는 1.4볼트 정도(종류와 전류의 양에 따라 달라짐)이다.
  • 역방향 바이어스 : 이와는 반대로 외부 전압을 built-in potential과 같은 극방향으로 걸어주면, 공핍층은 계속해서 부도체처럼 동작하고 전류의 흐름을 막는다. 다이오드 양단에 걸리는 potential의 차가 크지 않은 경우 소모층의 길이가 크다. 따라서 다이오드는 마치 전류의 흐름이 끊긴(opened) 회로처럼 동작한다.

역방향 전류-전압 특성을 살펴보면, 역방향 바이어스 구역에서 다이오드를 통과하는 전류는 매우 적다. 하지만 PIV(역방향 한계 전압, peak-inverse-voltage)를 넘어서는 전압을 공급하면, 다이오드는 전자사태 항복(avalanche breakdown)을 일으켜 역방향으로 커다란 전류가 흘러 소자가 망가진다.

제너 다이오드 같은 특별한 목적의 다이오드에서는 PIV를 낮은 전압으로 조절하여 역방향 바이어스 특성을 이용한다.

전자 기호[편집]

그림 3: 전형적인 다이오드의 기호. 줄이 표시된 극이 캐소드(cathode).

회로도에 다이오드를 표시할 때, 다이오드 종류에 따라 기호에 차이가 있다

다이오드의 종류[편집]

여러가지 다이오드들 (자의 수치는 센티미터 단위)

정류 다이오드[편집]

다이오드는 가장 중요한 기능이 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게하는 정류작용이다. 전원공급장치나 신호처리시 정류작용을 활용한 회로에 적용할 수 있다. 이때는 역방향 전류는 흐르지 못하게 하는 기능을 활용한다.

주로 실리콘을 이용하여 만들어 지고, 보통 전력제어용과 신호처리용 나누어 만들어 진다. 저마늄은 실리콘에 비해 신호의 반응속도가 빠른 특성이 있다. 따라서 주파수가 높은 경우 저마늄을 사용하는 경우가 있다.

정전압 다이오드[편집]

역방향 바이어스에서 항복 전압(breakdown voltage) 이상이 되면 역방향의 항복 전류가 흐르는 것을 이용하는 다이오드가 정전압 다이오드(Zener diode)이다. 항복 전류가 흐를 때 특정 전압을 유지하는 특성을 이용한다. 정전압 다이오드는 보통 다이오드보다 높은 전압에서 항복 전압을 조절하여 역방향의 바이어스를 이용한다. 항복전압은 다이오드를 만들 때 전압을 결정하고 만들고 고정전압이다. 이것은 회로에서 역방향으로 동작하도록 전압의 양전압(+)에 캐소드(cathode)를 음전압(-)에 애노드(anode)를 인가한다. 역방향으로 전압을 인가 했을 때, 특정전압 이상이 되면 전류가 흘러 전압 상승을 방지한다. 특정 전압을 유지하는 회로에 적용하고, 주로 기준전압으로 사용한다.

쇼트키 다이오드[편집]

다양한 쇼트키 다이오드. 왼쪽:소신호 RF 소자, 중앙과 오른쪽:중급 및 고파워 정류용.

n형 반도체에 p형 대신 금속을 사용하여 p형의 특성을 발휘하도록 만들어진 다이오드이다.[9]

쇼트키 다이오드의 특성은:

  • 순방향 전류 시 낮은 전압 : 순방향 전압 인가 시, 0.2~0.3V 이다. 실리콘 다이오드가 0.6~0.7V 인데 비해 전압이 낮다.
  • 고속 전환 복구 시간 : 순방향과 역방향 바이어스 전환 시, 고속 복구 시간을 갖는다. 이것은 적은 전하량이 충전되기 때문이다. 고속 스위칭 응용회로에 적합하다.
  • 낮은 접합 캐피시턴스 : 금속 접촉으로 액티브 영역이 작다. 이것은 전하의 충전을 작게 만든다.

중요한 특징으로 역방향에서 순방향으로 전환할 때, p-n 접합보다 빠른 전환이 가능하다. 따라서 신호 처리용과 전력제어용으로 사용이 가능하다.

스위칭 전원장치 등에 코일과 결합하여 입력쪽에서 전류가 단절되면 코일의 전류를 유지하도록 하는 요소로 사용할 수 있다.

광학[편집]

고주파[편집]

주석[편집]

  1. Tooley, Mike (2012). 《Electronic Circuits: Fundamentals and Applications, 3rd Ed.》. Routlege, 81쪽. ISBN 1-136-40731-6
  2. Lowe, Doug (2013). Electronics Components: Diodes. 《Electronics All-In-One Desk Reference For Dummies》. John Wiley & Sons. January 4, 2013에 확인.
  3. Crecraft, David, Stephen Gergely (2002). 《Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing》. Butterworth-Heinemann, 110쪽. ISBN 0-7506-5095-8
  4. Horowitz, Paul, Winfield Hill (1989). 《The Art of Electronics, 2nd Ed.》. London: Cambridge University Press, 44쪽. ISBN 0-521-37095-7
  5. The Constituents of Semiconductor Components (2010년 5월 25일). 2010년 8월 6일에 확인.
  6. Physical Explanation – General Semiconductors (2010년 5월 25일). 2010년 8월 6일에 확인.
  7. Robert H. Bishop (2002). 《The Mechatronics Handbook》. CRC Press. ISBN 0-8493-0066-5
  8. John E. Ayers (2003). 《Digital Integrated Circuits: Analysis and Design》. CRC Press. ISBN 0-8493-1951-X
  9. Schottky Diode Technology & Structure. radio-electronics.com. 2013년 9월 9일에 확인.

같이 보기[편집]