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다이오드 설명

[다이오드] 다이오드란? 다이오드의 원리, 다이오드의 역할

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[다이오드] 다이오드란? 다이오드의 원리, 다이오드의 역할

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안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.

오늘부터는 다이오드에 대해 공부해보도록 하겠습니다.

저는 보호소자로도 또는 일정한 전압을 유지시키도록 주로 많이 사용하는데요.

다이오드란 무엇인지, 어떤 원리로 위와 같이 사용할 수 있는지 알아보는 시간을 가져보겠습니다.

1. 다이오드란?

다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 성질을 가진 반도체 소자입니다.

이렇게 전류를 한쪽으로만 흐르게 하고 반대쪽으로 흐르지 않게 하는 것을 ‘정류 작용’ 이라고 합니다.

이러한 특징을 이용해 교류를 직류로 변환할 때 사용 할 수도 있습니다.

P형 반도체의 단자를 애노드(Anode), N형 반도체의 단자를 캐소드(Cathode)라고 합니다.

그렇다면 다이오드 내부는 어떻게 구성되어 있길래 이러한 특징을 갖게 되었을까요?

2. 다이오드의 원리

다이오드는 PN접합, 즉 P형 반도체와 N형 반도체의 접합으로 이루어져 있습니다.

이러한 내용을 이해하기 위해 반도체에 대해 조금 공부하고 시작해봅시다.

진성 반도체(순수한 상태인 반도체)는 14족인 Ge와 Si만 존재하는 상태를 말합니다.

거기에다가 15족 원소나(As) 13족 원소(In)의 불순물을 첨가하여 N형 반도체와 P형 반도체가 만들어집니다.

N형 반도체는 전하를 옮기는 운반자로써 자유전자가 사용되고,

P형 반도체는 정공이 사용됩니다.

PN접합은 P형 반도체와 N형 반도체의 접합시켜 놓은 것이라고 했는데요.

이렇게 접합시켜 놓으면 P형과 N형의 경계면에서는 어떤 일이 벌어지게 될까요?

도핑 종류가 다른 두 반도체를 접합시키면 자유 정공과 자유 전자가 서로 결합해 사라지게 됩니다.

그러면 그 자리에는 이온들만 남게됩니다.

캐리어가 없기 때문에 이를 공핍 영역(Depletion Region)이라고 부르며

공간 전하만 있다고 해서 Space Charge Region, SCR이라고 부르기도 합니다.

이러한 공핍 영역을 통과하기 위해서는 일정 전압 이상이 필요합니다.

이를 전위 장벽 이라고 합니다.

일반적으로 실리콘(Si)은 0.6~0.7V, 게르마늄(Ge)는 0.2~0.3V가 필요합니다.

그래서 보통 다이오드 양단에 전류가 흐르면 전압이 일정하게 낮아집니다.

이러한 PN접합 다이오드에 순방향 전압을 걸게 되면

P영역의 자유 정공이 N영역으로 이동하게 되고 N영역의 자유 전자가 P영역으로 이동하며 공핍층이 줄어듭니다.

결과적으로 전류가 원활하게 흐르게 됩니다.

역방향 전압을 걸게 되면

P영역의 자유 정공이 N영역의 반대편으로 이동하게 되고 N영역의 자유 전자가 P영역의 반대편으로 이동하며

공핍층이 늘어나게 됩니다.

결과적으로 전류가 흐르지 않게 됩니다.

3. 다이오드의 역할

이러한 다이오드의 특성을 이용해서 역전압을 막아주는 역할로 사용합니다.

(회로에 역전압이 발생하여 회로가 파괴될 수도 있습니다.)

그리고 Surge나 Spike등 과전압을 보호해주는 보호 소자로도 사용(TVS 다이오드)하기도 하고

전압을 일정하게 유지해주는 용도로도 사용합니다. (제너 다이오드)

이외에도 더 많은 용도들이 있습니다.

이에 대한 자세한 내용들은 다음 포스팅에서 자세히 다루도록 하겠습니다.

다음 시간에는 다이오드의 전기적 특성을 조금 더 알아보고

많은 다이오드의 종류들의 특징에 대해 정리해보는 시간을 갖겠습니다.

모두 수고하셨어요 ㅎㅎ

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다이오드란?

다이오드는 전류가 순 방향으로 흐를 때는 전기저항이 매우 작지만, 전류가 역 방향으로 흐르게 된다면 저항이 매우 커지는 특성을 가진 전자 부품입니다.

이러한 특성으로 다이오드는 전류를 한쪽으로만 흐르게 하고 반대쪽으로는 흐르지 않게 하는 정류 작용을 하며, 전류를 한 방향으로만 흘리므로 교류를 직류로 변환하는 곳에도 사용할 수 있습니다.

다이오드의 동작원리

다이오드의 구조

가장 기본이 되는 다이오드는 P-N 접합 다이오드로P형 반도체와 N형 반도체로 이뤄져 있습니다.

P는 P형 반도체, 양극(+), 애노드(Anode)라고 하고 정공을 가지고 있습니다.

N은 N형 반도체, 음극(-), 캐소드(Cathode)라고 하고 전자를 가지고 있습니다.

이때 P형 반도체와 N형 반도체를 접촉시키면 공핍 영역(Depletion이 생성됩니다.

따라서 다이오드 내부를 보자면

이런 상태라고 할 수 있습니다.

순방향 바이어스 역방향 바이어스

기본적으로 전류는 양극에서 음극으로 즉 P영역에서 N영역으로 흐르게 됩니다.

그리고 전자는 전류와 반대로 움직이므로 음극에서 양극으로 N영역에서 P영역으로 이동합니다.

P형 단자에 + 전압을 인가하고 N형 단자에 – 전압을 인가하면,

P영역의 전공이 N영역으로 이동하고 N영역의 전자가 P영역으로 이동하여 공핍층이 줄어듭니다.

결과적으로 정공과 전자의 이동이 원활하게 되어 전류가 흐르게 됩니다.

이를 순방향 바이어스라고 합니다.

P형 단자에 – 전압을 인가하고 P형 단자에 + 전압을 인가하면,

P영역의 전공이 N영역의 반대편으로 이동하고 N영역의 전자가 P영역의 반대편으로 이동하여 공핍층이 증가합니다.

결과적으로 정공과 전자의 이동이 제한되어 전류가 흐르지 않게 됩니다.

이를 역방향 바이어스라고 합니다.

다이오드의 전기적 특성

그래프로 알아보는 다이오드의 특성은 다음과 같습니다.

1) 순전압이 오를수록 전류가 증가합니다.

2) 역전압이 올라도 전류는 증가하지 않습니다.

다이오드의 종류

1) 정류 다이오드 : 회로의 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드로 일반적인 다이오드를 말합니다.

2) 스위칭 다이오드 : 순방향 회복시간, 역방향 회복시간, 접합 용량 및 순방향의 입력 펄스 상승 시에 오버슈트가 적은 다이오드로 동작 속도가 빠르고 수명이 길어고 속스위치로 사용합니다.

3) 제너다이오드(정전압 다이오드) : 일정한 전압을 얻기 위해 사용하는 다이오드입니다.

4) 터널 다이오드(에사키 다이오드) : 터널 효과를 이용한 다이오드로 발진과 증폭이 가능하며 동작속도가 빨라 마이크로파에 사용합니다. 그러나 방향성이 없고 잡음이 나타나는 등 특성상 개선이 필요합니다.

5) 발광 다이오드(LED) : Light-emitting Diode 즉 LED입니다. 다이오드에 전류가 흐르면 빛과 열이 나는 특성이 있습니다.

6) 포토 다이오드(수광 다이오드) : 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 특성을 가진 다이오드로 이러한 광검 출 특성을 이용해 광센서로 사용하는 다이오드입니다.

7) 쇼트키 다이오드 : 금속과 반도체를 결합한 다이오드입니다. 낮은 전압에서도 사용 가능하며, 매우 빠른 스위칭 전환이 특징인 다이오드입니다.

8) 브릿지 다이오드 : 4개의 다이오드를 연결한 브릿지 구조의 다이오드입니다. 입력되는 극성이 변경되어도 출력되는 극성은 항상 같습니다.

추가 지식

공핍 영역(공핍층)

P형 반도체와 N형 반도체를 접합하면 생기는 공간으로 정공이나 전자와 같은 캐리어가 없는 절연된 영역이며, 접합 영역을 통과하는 캐리어의 이동을 방해합니다.

따라서 공핍 영역을 통과하기 위해서는 일정 이상의 전압이 필요한데,

이 전압을 전위 장벽이라 하고, 일반적으로 실리콘(Si)은 0.7V 게르마늄(Ge)는 0.3V가 필요합니다.

<출처>

http://www.ntrexgo.com/archives/8259

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827595&cid=62802&categoryId=62802

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=4390161&cid=60217&categoryId=60217

http://study.zum.com/book/12575#anchor2

http://www.ktword.co.kr/word/abbr_view.phpm_temp1=3974&m_search=%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%98%A4%EB%93%9C

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위키백과, 우리 모두의 백과사전

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

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(규소)(Si,silicon)으로 만들어지지만, 셀레늄(selenium)이나 게르마늄(germanium) 등의 반도체 등을 사용하기도 한다.[5] 대부분의 반도체 다이오드는 p-n 접합으로 두개의 전극을 갖는 반도체 결정체(crystalline)이다.[6]
역사 [ 편집 ]
진공관 다이오드와 반도체 다이오드는 개별적으로 개발되었지만, 라디오 수신기로서 1900년대 초에 거의 동시에 개발되었다. 1950년대까지 진공관 다이오드가 라디오에 더 자주 사용되었는데, 그 이유는 초기의 접점형 반도체 다이오드가 덜 안정적이었기 때문이었다. 게다가, 대부분의 수상기들이 튜브에 포함된 진공관 다이오드를 쉽게 갖출 수 있는, 증폭을 위한 진공관을 갖추고 있었으며(예: 12SQ7 더블 다이오드 트라이오드) 가스로 채워진 정류기와 진공관 정류기는 당시 이용 가능했던 반도체 다이오드(셀레늄 정류기) 보다 일부 고전압/고전류 정류 작업을 더 잘 해낼 수 있었다.

반도체 다이오드 [ 편집 ]
다이오드는 반도체의 PN 접합에 바탕을 두고 있다. PN 다이오드에서 전류는 P형 반도체(anode) 면에서 N형 반도체(cathode) 면으로만 흐를 수 있다. (예외: 제너 다이오드)

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 PN 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.

다만 제너 다이오드 같은 특별한 목적의 다이오드에서는 PIV를 낮은 전압으로 조절하여 역방향 바이어스의 특성을 이용한다. 역방향 전압 5.6V 이하에서는 제너 항복이, 그를 초과하는 전압에서는 전자사태 항복이 일어난다.

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 ]
다이오드의 가장 중요한 기능은 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하는 정류작용이다. 전원공급장치나 신호처리시 정류작용을 활용한 회로에 적용할 수 있다. 이때는 역방향 전류는 흐르지 못하게 하는 기능을 활용한다.

주로 실리콘을 이용하여 만들어지고, 보통 전력제어용과 신호처리용으로 나누어 만들어진다. 실리콘 재질의 장점은 생산성과 품질 안정성이나 단점은 순전압이 저마늄에 비해 다소 높다. 즉 예를 들어 태양광으로 배터리를 충전시 발열로 인하여 전력 손실이 높다는 점이다. 저마늄은 실리콘에 비해 신호의 반응속도가 빠른 특성이 있으나 열에 약하며 고장의 위험이 있으며 초기 라디오 부품으로 사용되거나 제품의 특성상 주파수가 높은 경우에 저마늄을 사용하는 경우가 있다.

검파 다이오드 [ 편집 ]
게르마늄 다이오드 [ 편집 ]
일정 신호에서 필요한 신호만 거를 때 사용된다.

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.

정전류 다이오드 [ 편집 ]
정전류 다이오드(Current limiting diode, CLD, Current regulating diode, CRD)는 반도체 소자로서 정전류원으로 사용되는 전자 부품이다.

JFET는 『게이트 전압이 일정하면 드레인 전류가 일정』라는 성질을 가지기 때문에 회로에 직렬로 연결하면 전류를 일정 수준으로 제한하는 정전류 소자로 사용할 수 있다. 이것을 하나의 전자 부품으로 사용한 것을 정전류 다이오드라고 부른다. 다이오드의 이름이 붙어 있지만 구조는 완전히 다르다. 교류적으로 해석할 때 무한대의 임피던스 특성을 나타낸다.

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

n형 반도체에 p형 대신 금속을 사용하여 n형의 특성을 발휘하도록 만들어진 다이오드이다.[9]
쇼트키 다이오드의 특성은:

순방향 전류 시 낮은 전압 : 방향 전압 인가 시, 0.2~0.3V이다. 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 ]
같이 보기 [ 편집 ]

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