[DIODE]

Di(2) + electrode(전극) = Diode(2극)

다이오드 개요

전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 만드는 장치. 본래는 진공관의 2 극관

 

토마스 에디슨이 백열전구로 실험하다가 필라멘트에서 금속판(플레이트)으로 전류가 흐르는 것을 보고 발견한 에디슨 효과를 이용하여 탄생한 최초의 형식의 진공관이다. 에디슨은 백열전구의 효율 개선에만 관심이 있었고 에디슨 전기 회사는 직류를 직접 송전하고자 했기 때문에 이 효과에 관심을 두지 않았고 이후 영국의 플레밍이 1904년 특허등록, 무선전신부품으로 사용

 

극관은 애노드(Anode, 플레이트), 캐소드(Cathode)로 구성되는 단순한 구조의 진공관으로 한쪽으로만 전류가 흐르므로 교류 전기를 직류 전기로 바꾸는 정류관이나 검파용으로 활용된다. 최초에는 전신기에 사용하였다고 한다. 정류기나 라디오관 중 일부가 이쪽이다. 이 구조에서 발전하여 전자를 제어하는 그리드란 부품이 추가되어 3 극관, 4 극관, 5 극관, 7 극관 등 다양한 극을 가진 진공관이 탄생하여 다양한 용도로 쓰이게 되었다

 

정류기(rectifier)라고도 부른다. 보통 생각하는 다이오드는 반도체 다이오드일 것이다.

위의 2극 정류관과 같이 양극(anode)에서 음극(cathode)으로만 전류가 흐르는 소자를 뜻한다. 동일한 작동을 하나 구조는 반도체를 이용하는 것으로 다르다. 순수한 규소(실리콘, Si) 덩어리에 불순물을 약간 첨가(도핑)하면 특수한 전기적 성질을 띠는데, 이때 붕소, 알루미늄 등의 13족 원소를 도핑한 P형 반도체를 양극, 음극 쪽으로 쓰이는 것은 인, 비소 등의 15족 원소를 도핑한 N형 반도체를 음극으로 쓴다.

이 두 개를 결합시킨 것이 다이오드. 당연히 P→N 방향으로만 전류가 통하며 N→P는 전자의 척력 때문에 전기가 통하지 않는다. 다만 이상적인 다이오드의 설명과는 다르게, 다이오드도 작동시키려면 어느 정도 이상의 전압이 필요하다. 이를 문턱 전압(threshold voltage)이라고 하고, 규소(Si)로 만든 다이오드의 경우 0.7 V, 쇼트키 다이오드의 경우 0.5 V, 저마늄(Ge)으로 만든 다이오드의 경우에는 0.3 V 정도 된다.

 

이를 활용하여 PNP, NPN 구조로 만든 것이 바로 트랜지스터이다. 그리고 LED, 광다이오드(photo-diode, PD) 등은 이쪽 계열, 비슷한 소자로는 사이리스터나 TRIAC, PUT 같은 것들이 있다.

종류로는 제너(Zener) 다이오드, 쇼트키(Schottky) 다이오드, 버랙터(Varactor, 전압을 필요한 만큼 인가하여 공핍층(depletion layer)의 두께를 조절하고 이를 통해 적절한 정전용량을 취하여 마치 축전기처럼 사용하는 다이오드) 같은 것들도 있다.

한쪽 방향으로만 전기를 통하는 특성을 이용한 것 중 가장 대표적인 것이 파워서플라이에 주로 쓰이는 브리지 정류회로(Bridge rectifier)다

1. PN 접합에서의 확산 전류와 드리프트 전류

1. 확산 전류(diffusion current)
   • 반도체 내부에는 p형 쪽(양공 밀도↑)과 n형 쪽(전자 밀도↑) 사이의 캐리어(전자·정공)의 농도 차이가 있다.
   • 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 캐리어가 이동하는 현상을 ‘확산(diffusion)’이라 하며, 이에 의해 생기는 전류가 확산 전류.
   • p형 영역에 많은 정공이 n형 영역으로 확산하고, n형 영역에 많은 전자가 p형 영역으로 확산.
2. 드리프트 전류(drift current)
   • PN 접합이 형성되면, 접합 부근에 ‘공핍 영역(depletion region)’이 생기고 이 영역 내부에는 고정된 이온들이 만들어내는 내부 전기장(내장 전위, built-in potential)이 존재한다.
   • 이 전기장에 의해 전하 캐리어가 ‘힘’을 받아 흐르게 되는 전류를 드리프트 전류라고 한다
   • 즉, 정공은 (–)전위를 향해, 전자는 (+)전위를 향해 이동하려고 하고, 이것이 드리프트 메커니즘에 의한 전류이다.
3. 평형 상태에서의 균형
   • PN 접합이 형성된 직후에는 확산 전류(농도차에 의한 이동)와 드리프트 전류(내장 전위에 의한 이동)가 서로 반대 방향으로 작용하면서 최종적으로 평형 상태에 도달한다.
   • 평형 상태에서는 순방향(확산) 전류와 역방향(드리프트) 전류가 서로 같아져서 총 전류가 0이 되므로, 공핍 영역이 더 이상 확장·축소되지 않고 일정한 두께로 유지한다.

 

2. pn 접합과 기본 동작 원리

1. pn 접합 형성
   • p형 반도체(양공이 다수 캐리어)와 n형 반도체(전자(電子)가 다수 캐리어)를 접합하면, 경계면 부근에서 전하가 재배열되어 ‘공핍 영역(depletion region)’이 형성한다
   • 공핍 영역에서는 자유전하가 거의 없고, 내부에 형성된 내장 전위(built-in potential) 때문에 전류가 일방적으로 흐르는 것이 제한한다
2. 순방향 바이어스(Forward Bias)
   • 외부에서 p형 쪽(애노드, Anode)에 (+) 전압, n형 쪽(캐소드, Cathode)에 (–) 전압을 인가하면, 접합 부근의 전위 장벽이 낮아져 전류가 흐를 수 있게 된다
   • 실제 회로 해석에서, 다이오드는 대략 0.7V(실리콘 다이오드 기준)의 순방향 전압이 걸렸을 때 도통(전류가 흐름)한다고 간주하는 모델(‘상수 전압 모델’, Constant-Voltage Model)을 자주 사용한다
3. 역방향 바이어스(Reverse Bias)
   • 외부에서 p형 쪽에 (–) 전압, n형 쪽에 (+) 전압을 인가하면, 접합 부근의 장벽이 높아져 거의 전류가 흐르지 않게 됩니다(역방향 전류는 매우 작음).
   • 이 상태에서 전압을 크게 높이면 ‘항복(Breakdown) 영역’에 들어갈 수 있으며, 이때는 역방향으로도 큰 전류가 흐를 수 있다. 하지만 일반적인 동작 영역에서는 역방향 전류는 거의 0에 가깝게 취급한다

3. 다이오드 I–V 특성과 모델

1. 일반적인 I–V 곡선
   • 실제 측정한 다이오드의 전압-전류 특성 곡선은 비선형(지수 함수 형태)입니다. 순방향 전압이 약 0.7V를 넘으면 급격히 전류가 증가하고, 그 이하에서는 전류가 거의 흐르지 않는 형태를 보인다.
   • 역방향에서는 미세한 전류(누설 전류)만 흐르다가, 매우 큰 역전압이 걸리면 항복(Breakdown) 영역에 들어가 크게 전류가 흐른다.
2. 상수 전압 모델(Constant-Voltage Model)
   • 회로 해석을 단순화하기 위해 다이오드를 ‘0.7V의 전압원’과 ‘개방 회로(open circuit)’라는 두 가지 상태로 이상화해 사용한다
   • 순방향(VD > 0.7V)일 때는 다이오드가 약 0.7V 강하를 가지는 전압원처럼 동작해 전류가 흐르고,순방향 전압이 0.7V 이하이거나 역방향(VD ≤ 0.7V)일 때는 전류가 흐르지 않는 개방 회로로 간주한다

4. 다이오드의 대표적 응용: 정류 회로

1. 하프 파(half-wave) 정류
   • 교류 신호 입력에 직류 전압을 얻기 위해 가장 간단하게 사용할 수 있는 방식
   • 입력신호가 양(+)의 반주기일 때만 다이오드가 도통하여 부하(저항, 혹은 다른 부하 소자)로 전류가 흐르고, 음(–)의 반주기에는 다이오드가 역방향으로 막혀 전류가 흐르지 않는다.
2. 필터 회로(커패시터 추가)
   • 정류된 출력에 커패시터를 병렬로 달아 맥동을 줄여 DC에 가깝게 만드는 방법이다
   • 커패시터는 전압이 높을 때 충전되었다가, 신호가 떨어지면 서서히 방전되면서 출력 전압 리플(ripple)을 줄여준다

 

다이오드의 종류

 

다이오드

가장 기본적이고 범용적인 정류작용을 하거나, 역전류를 방지하여 회로를 보호하는 역할

 

제너 다이오드

전체적인 특성은 일반적인 다이오드와 같으나 일정전압(항복전압) 이상이 되면 전류가 증가하고 다이오드의 전압은 일정해진다. 다이오드가 일정 수준 이상의 역방향 전압을 가하면 전류가 흐른다는 특성을 활용한다.

즉 제너 다이오드는 일반 다이오드와 달리 역방향 바이어스를 사용한다. 주로 직류 파워서플라이의 정전압 조절 회로에 사용된다

 

쇼트키 다이오드

쇼트키 다이오드는 P형반도체와 N형반도체를 접합시켜 P-N 접합의 성질을 이용하는 다른 다이오드와는 달리 금속과 반도체의 접합(쇼트키 장벽)을 이용해 만든 다이오드이다. 역할은 일반적인 다이오드와 같으나, 낮은 커패시턴스로 인해 응답특성이 우수하며, 주로 수십 kHz ~ 수 MHz대의 고주파 회로에 사용된다. 또한 순방향 전압 강하가 일반 다이오드에 비해 낮은 편이다

 

발광 다이오드(LED)

LED라고 불리며 순방향 전압을 인가하면 에너지가 빛과 열이 방출됨

스위칭 다이오드

반도체 다이오드 중 특히 컴퓨터나 기타 스위칭 소자로 이용되는 다이오드. 순방향 회복 시간, 역방향 회복 시간, 접합 용량 및 순방향의 입력 펄스 상승 시에 오버슈트가 적어야 한다. 동작 속도가 빠르고 수명이 긴 것이 특징

 

TVS 다이오드

과도전압을 클리핑해준다. 비슷한 역할을 하는 부품은 바리스터가 있다. 자신이 개발하는 부품이 가격에 민감하면 바리스터도 좋다. 일정 전압 이상이 되면 전류가 증가한다는 점은 제너 다이오드와 같지만 순간적으로 수백 와트 이상의 대전력을 흘려보낼 수 있기 때문에 서지 보호에 활용할 수 있다.

 

 

브릿지 다이오드

4개의 다이오드를 연결한 브릿지 구조의 다이오드이며 입력되는 극성이 변경되어도 출력되는 극성은 언제나 같음