다이오드
작성일 : 2023년 08월 26일 (Saturday)
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다이오드는 전류가 한 방향으로 흐를 수 있도록 해서 회로에서 전류의 흐름의 방향을 결정할 수 있게 해준다. 다이오드 역시 반도체이지만 BJT, OPAMP, FET와 달리 외부에서 다이오드 동작을 위한 별도의 게이트 전원구성은 필요가 없다.
다이오드는 순방향으로 연결했을 때 일반적으로 0.7V(도핑농도에 따라 조금 다름)의 전압강하가 발생한다. 역방향으로 연결했을 때에는 작은 역전류가 흐르게 되는데, 이 전류가 어느 순간을 넘어서면 역방향 항복 현상이 일어날 수 있으므로 회로를 구성할 때 고려할 필요가 있다.
위 그림을 보면 Breakdown 영역에서 갑자기 전류량이 급증하며 역방향 접속시의 저항이 급격하게 감소한다. 역방향 항복이 일어나는 경로는 제너항복과 애벌런치 항복이 있다. 항복 현상이 발생하면, 열폭주(Thermal Runaway)로 인해 항복현상이 가속화되어 완전히 고장나게 되고, 이후 다이오드는 단락회로처럼 동작하게 된다.
제너항복 (Zener Breakdown)
도핑농도가 높은 PN 접합의 경우에는 공핍영역이 작은데, 역전압이 인가되면 (에너지 밴드 이론에 따라) 가전자대와 전도대의 에너지가 같은 구간이 존재하게 되고, 역전압이 강하고 도핑농도가 높을 수록 그 W (장벽 너비; Barrier Width)가 얇아져서 전자의 터널링이 발생한다. 이로 인해 전류가 급격하게 증가하게 되는 것이다.
애벌런치 항복 (Avalnche Breakdown)
애벌런치 항복은 도핑이 낮은 PN 접합에서도 발생할 수 있다. 다만, 제너항복보다는 조금 더 큰 전압이 역방향으로 인가되어야 발생할 수 있다. 애벌런치 항복은 일종의 충돌 이원화 현상에 의한 것이다.
역방향으로 높은 전압이 인가되어 있으면, PN 접합 내에 공핍영역의 너비도 넓어지는데, 이로 인해 공핍영역 내 전압도 증가하게 된다. 아래 바이어스 별 밴드 다이어그램 을 보면, 순방향부터 역방향 순으로 n-type에서 p-type으로 전자가 넘어가야 하는 장벽의 높이가 더 높아지는 것으로도 알 수 있다. (즉, 전위장벽이 높아짐)
아래 그림을 보자.
역방향 바이어스에 의해서 p-type에는 전자가 주입되고, n-type에는 정공이 주입되고 있다. n-type을 기준으로 보면, 위 에너지 밴드에 따라 전자가 공핍영역 내에서 더 큰 위치에너지를 가지므로 공핍영역 내에서 이동시 더 큰 운동에너지를 가지고 이동하게 되므로 충돌 이온화가 더욱 발생하기 쉬워진다. 이로 인해, 공핍영역 내 격자에 있는 다른 전자와 충돌시 1개 이상의 자유전자를 생성시키고 그게 공핍영역 내 전계에 의해 반대편으로 휩쓸려가게 된다. 1개에서 출발했지만 이동 중에 최소 1개 이상의 전자가 발생하게 되면서 전류량이 급격히 증가하는 것이다.
역방향 회복
PN 접합은 아래 그림에서 1번째 그림과 같이 아무런 전압을 인가하지 않았을 때 공핍영역을 형성함으로써 평형상태(전류가 흐르지 않는 상태. 즉, 확산전류와 표동전류의 크기가 동일한 상태)가 된다.
아래는 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 전환될 때의 다이오드 전류 파형이다. 순방향 바이어스를 OFF 시키면서, 역방향 바이어스를 ON 시키면 전류를 흐를 수 있게 하는 다수 캐리어가 급격하게 공핍되면서 일시적으로 역전류가 발생한다. 역전압을 인가하면 인가할수록 공핍영역이 넓어지면서 p 타입 반도체 쪽으로 전자가 계속 공급되어서 평형을 이룰 때까지 정공과 전자가 결합을 하기 때문에 역전압이 세게 걸릴 수록 더 큰 역전류가 발생한다.
쇼트키 다이오드 (Schottky Didoe or Schottky barrier Diode)
쇼트키 다이오드는 N 타입 반도체와 금속을 붙여서 만든 특수한 다이오드이다. 위에서 설명했듯 역전류는 P 타입 반도체로 공급된 전자가 P 타입 반도체의 정공과 결합하는 과정에서 흐른다고 했는데, 쇼트키 다이오드에는 결합할 정공이 없다. 그리고 전자는 정공보다 훨씬더 빠르게 공핍될 수 있기 때문에 공핍영역을 생성하는 시간이 일반적인 PN 접합 다이오드에 비해 굉장히 빠르다. 따라서, 쇼트키 다이오드는 역방향 회복 시간이 거의 0에 가깝다.
쇼트키 다이오드는 위와 같이 역방향 회복 시간이 없다는 점과 문턱전압이 0.2~0.3V로 낮다는 장점이 있지만 역 누설 전류가 많고, 내압이 작다는 한계점도 가지고 있다.
리미터 회로
다이오드는 리미터 회로를 구성하기 위해서 많이 사용된다.
아래는 다이오드 1개를 활용한 가장 간단한 구조의 상한 리미터이다. 다이오드는 통상 0.7V 전압강하를 가진다고 했다. 이 말은 즉, 내부 저항이 고정값이 아니라는 얘기이기도 하지만, 저항이 일부 존재한다는 의미이기도 하다. 따라서, 다이오드는 입력전압의 크기와 관계없이 순방향으로 연결했을 때는 0.7V 만큼만 전압이 걸린다고 할 수 있다.
역방향으로는 이야기가 다르다. 일반적인 다이오드는 역방향으로 사용되지 않는다. 역방향으로 사용할 때에는 일반적으로 제너 다이오드를 사용한다.
제너 다이오드
그렇다면 제너 다이오드는 일반적인 다이오드와 무엇이 다를까? 일단, 제너 다이오드는 일반적인 다이오드와 역할 자체가 다르기 때문에 아래와 같이 표기되고, 역방향에서 사용하도록 도핑농도가 설정된다. 제너 다이오드는 항복 영역에서도 v-i 곡선의 기울기가 일반적인 다이오드보다 완만하다. 서지 등이 발생하여 큰 전류가 순간적으로 흐르더라도 제너 다이오드로 모두 통과하면서 전압은 일정하게 유지해주기 때문에 정전압 회로에 주로 사용된다.
정류 회로
다이오드는 정류 회로로도 많이 사용된다. 아래의 반파정류기 전파정류기를 참고하자. 별도의 설명이 필요없을 만큼 간단하여 설명은 추가하지 않겠다.
다이오드의 직렬/병렬 사용
하나의 다이오드로는 회로에서 요구하는 전압/전류를 달성하지 못하는 경우 직렬/병렬로 다이오드를 사용하기도 한다. 하지만, 거기에 따른 유의점이 있는데 잘 정리된 글이 있어서 공유한다.
다이오드 병렬 연결 (정격 전류 증가)
다이오드는 아래와 같이 병렬로 사용했을 때 어떤 다이오드를 병렬로 연결했는 지에 따라 전류를 한쪽에서 더 많이 부담할 수도 있다.
그 이유는 저항에 있다. 다이오드는 일반적으로 0.7V의 전압강하를 가진다고 했는데, 실은 다이오드의 데이터시트를 보면 그 순방향 바이어스 전압강하분이 조금씩 다르다. 순방향 바이어스 전압강하분이 다르다는 것은 내부저항이 다르다는 이야기다. 저항을 병렬로 연결한 회로의 노드에 전압을 인가했을 때, 전류는 저항이 작은 쪽으로 흐르려고 하는 성질이 있다. 따라서, 성질이 다른 다이오드 2개를 연결할 때에는 크기가 작은 저항을 아래와 같이 연결하면 각 다이오드에서 전류를 적당히 부담할 수 있도록 할 수 있다.
다이오드 직렬 연결 (정격 전압 증가)
회로의 정격 전압을 높이기 위해서는 다이오드를 직렬로 사용한다. 역방향으로 연결했을 때 누설전류가 발생하는데, 그 누설 전류를 다단 다이오드를 통해 더 효과적으로 막는 것이라고 보면 된다. 다단으로 사용하려면 누설전류가 큰 다이오드를 사용해야 한다. 아래 그림을 보면 3사분면의 역전압이 걸렸을 때, 항복전압에 도달할 때까지 기울기가 가파를 수록 다단으로 사용하기 적합하다고 할 수 있다. 기울기가 너무 완만하면 누설전류를 여러 다이오드가 분배하지 않고, 첫번째 다이오드가 감당하다가 첫번째 다이오드가 망가져 버릴 수도 있다.
다단 다이오드가 같은 용량의 전압을 감당하게 하려면 크기가 큰 저항을 병렬로 연결하면 된다. 이 때, 저항을 통해 흐르는 전류는 누설전류보다 클 수 있도록 하되, 전류가 너무 많이 흐르지 않도록 하는 적당한 크기의 저항을 사용해야 한다.
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