July 15, 2020

『 내가 바로 초보자다!! – 다이오드 편 』

안녕하세요..^^ 엔티렉스홈페이지를 찾아주신 여러분..^^ 1탄 – 저항 편에 힘입어 2탄 – 다이오드 편을 시작하려고 합니다. 열심히 써보겠습니다!! 아자!! 《 이 글의 출처는 Naver & Daum에 있는 자료들을 통하여 작성하였음을 밝힙니다. 》 

1. 다이오드 란?

다이오드란 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 반도체 부품입니다. 반도체의 재료는 실리콘(규소)이 많지만, 그 외에 게르마늄, 셀렌 등이있습니다. 다이오드의 용도는 전원장치에서 교류 전류를 직류전류로 바꾸는 정류기로서의 용도, 라디오의 고주파에서 꺼내는 검파용 전류의 ON/OFF를 제어하는 스위칭 용도 등, 매우 광범위하게 사용되고 있습니다.
기호의 의미는  (애노드)  (캐소드)로 애노드측에서 캐소드측으로 전류가 흐르는 것을 나타내고 있으며, 다이오드 중에는 단지 순방향으로 전류가 흐르는 성질을 이용하는 것 이외에 많은 용도에 흔히 사용됩니다.

상식』 - 캐소드?? 애노드?? 란??

캐소드·애노드는 전극에서 진행되는 반응(즉, 산화환원)을 구분하기 위해서 사용되는 용어입니다.. 일반적으로 어떤 실험 조건에서든 전극에서 환원반응이 진행되면, 그 전극의 이름을 캐소드(cathode)라고 하며, 전극에서 산화반응이 진행되면, 그 전극은 애노드(anode)라 합니다.

상식』 - 순방향?? 역방향?? 이란??

반도체는 p형과 n형이 있습니다. 이 두 반도체를 조합하여 전기소자를 만들게 되는데 이렇게 만들어진 소자들은 공급되는 전류의 방향(+에서 -로 가는 방향)에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않게 됩니다. 이때 전류가 흐르게 회로를 연결하는 방향을 순방향, 반대로 연결하여 전류가 흐르지 않게 되는 방향을 역방향이라고 합니다.

2. 다이오드의 종류

다이오드가 뭔지 알아보았으니!! 이제 종류에 대해 알아보겠습니다..^^

제너다이오드 (Zerer Diode) - 정전압 다이오드

제너다이오드는 정전압이나 기준전원을 얻기 위해서 자주 사용되는 소자입니다. 제너 다이오드는 보통 다이오드와는 달리 역방향으로 전압을 걸어 사용합니다.
보통의 P-N 접합 다이오드에 30V이상의 역방향 전압을 가하면 항복현상이 일어나 갑자기 전류가 흐르는데 이것을 제너 효과라고하며, 제너 다이오드는 이러한 현상이 비교적 낮은 전압에서도 일어나도록 하기 위하여 반도체에 혼합하는 불순물의 양을 조정한 것입니다. 이부분에서는 다이오드에 흐르는 전류가 급격히 증가하여도 단자전압은 거의 일정하며, 이 성질을 이용하여 전압 기준용으로서 만들어진것이 제너다이오드 또는 정전압다이오드라고 합니다.

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《그림 1-1》
디바이스마트에서 판매중인 제노다이오드 (위쪽 1W, 아래쪽 500mW  제품)

 

 

 

 

 


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여기서 잠깐!! ‘ㅁ’
항복현상이란? : 소자에 전압 혹은 압력 등을 가한 경우, 어느 한계를 넘었을 때 급격한 변화를 일으키는 것.

바리캡 다이오드 (Variable-Capacitance Diode) - 가변용량 다이오드

바리캡 다이오드는 가변용량 다이오드로 바랙터라고도 부르며, 다이오드 접합부의 용량이 역전압에 비례라는 것을 이용한 것입니다. P-N 전합 다이오드에 역방향 전압을 가하면 생성된 공핍층은 절연성을 띄게 되므로 유전체에의 캐패시터와 같은 역할을 하며, 역방향 바이어스 전압이 증가하면, 공핍층의 폭은 넓어지게 되어 유전체의 두께가 증가하는 효과를 가져오므로 캐패시턴스가 감소하게 됩니다. 반대로 역방향 바이어스 전압이 감소하면 캐패시턴스가 증가하게 됩니다.

이와 같이 경계를 이룬 반도체 표면의 공간 전하 영역이 전압에 의해 영향을 받기 때문에 접합 용량이 전압의 크기에 따라 변화하는 성질을 텔레비전이나 FM튜터, 무전기 등 고주파 변조나 주파수 변환, 동조, 믹서 등에 이용됩니다.

여기서 잠깐!! ‘ㅁ’
P-N 접합이란?? : P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 것을 말한다. p형의 부분에 정전압, n형 부분에 부전압을 걸면 전류가 흐르지만, 그 역 방향으로는 무시할 정도의 전류밖에 흐르지 않은 채, 정류작용을 띄어 정류기의 기본소자인 다이오드가 된다.

배리스터(Varistor)

배리스터는 배리어블 레지스터의 약칭입니다. 전압의 변화에 의해 저항이 크게 변화하도록 만든 소자를 말하며, 전압-전류특성이 비직선적인 2단자 반도체 소자입니다. 앞에서 업급한 P-N 접합다이오드나 금속 정류소자도 배리스터로 사용될 수 있습니다. 배리스터는 전압-전류특성이 대칭적이냐 비대칭적이냐에 따라 대칭 배리스터와 비대칭 배리스터로 구분됩니다. P-N 접합 다이오드는 비대칭 배리스터에 속하고, 대칭 배리스터는 특성이 같은 2개의 직렬 또는 병렬로 접속해서 만든 것이며, 양.음의 전압에 대해 전압-전류특성이 원점에 대해 대칭인 것을 말합니다

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《그림 1-3》
디바이스마트에서 판매중인 배리스터 다이오드

 

 

 

 

 

 

정류 다이오드(Rectifier Diodes)

일반적으로는 평균 전류 1V이상의 것을 가리키며 전원의 정류회로에 이용하며, 소전력용으로부터 대전력용까지 많은 종류가 있으며 패키지도 풍부합니다. 가장 많이 생산 되는 것은 소전력용의 1A급으로 정류 다이오드의 약 70%를 차지하고 있다. 스위칭 다이오드와의 차이점은, 스위칭 다이오드는 ON/OFF를 위해 동전압에 정해진 전압에서 완벽하게 ON,OFF시키지만 정류 다이오드는 P-N접합부에 낮은 전압이 걸려도 흘려주고 낮은 역전압이 걸려도 차단하는 역할을 하게 됩니다.

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《그림 1-4》
디바이스마트에서 판매중인 정류 다이오드

 

 

 

 

 

 

 

 

스위칭 다이오드(Switching Diode)

P-N 접합의 정류효과(순방향 및 역방향 바이어스시 저항의 현저한 차이)를 이용하여 회로의 스위칭을 주로 하는 다이오드입니다. 순방향 회복시간, 역방향 회복시간, 접합 용량 및 순방향 입력 펄스 상승시에 오버슈트가 적어야 합니다. 일반적으로 스위칭 다이오드라고 하면 쇼트키 다이오드나 밴드스위칭 다이오드도 포함하며, 동작 속도가 빠르고 수명이 긴 것이 특징입니다.

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《그림 1-5》
디바이스마트에서 판매중인 스위칭 다이오드

 

 

 

 

 

 

쇼트키 다이오드(Schottky Barrier Diode : SBD)

원 명칭은 쇼트키베리어 다이오드라고 합니다. 일반 다이오드는 P-N 접합으로 구성되는데 비해 쇼트키 다이오드는 N형 반도체표면에 금속막을 증착-도금 등의 방법으로 부착시켜 만든 쇼트키형의 장벽을 통해서 반도체 속에 캐리어를 주입시켜 만듭니다. 즉 반도체 표면에 금속을 도핑시키면 금속과 반도체 사이에 전위장벽(0.4~0.5V)이 형성되는데 이것을 이용한 다이오드가 쇼트키 다이오드라고 입니다. 쇼트키 다이오드는 실리콘이나 칼륨비소와 같은 반도체 재료와 몰리브텐, 티탄, 금 등과 같은 금속 재료를 접촉 시켜서 만듭니다

그럼 쇼트키 다이오드의 특징을 보겠습니다.

- 금,은 또는 백금과 같은 금속에 실리콘(N형 반도체)을 도핑하여 만든다.
- 쇼트키 다이오드가 바이어스 되어 있지 않을 때, 반도체 측의 N형 자유전자는 금속에 있는 자유전자보다 전도율이 낮으므로
   더 낮은 궤도에 놓이게 된다.
- 다이오드가 순바이어스 되면, N형의 자유전자가 접합을 넘어 금속 안으로 들어가서 큰 순방향 전류가 흐른다.
- 금속에 N형은 거의 같은 극성이며, 공핍층이 없고 축척하는 전하도 없게 되어 역방향 시간도 없게한다.

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《그림 1-6》
디바이스마트에서 판매중인 쇼트키 다이오드

 

 

 

 

 

 

 

 

밴드 스위칭 다이오드(Band Switching Diode)

일반 소신호 다이오드의 고주파용으로서 개발됩것입니다. 고주파 튜너의 주파수 선택용으로 사용되기 때문에 고주파 저항이 작아야하며, 단자간의 용량도 최대한 낮게 한 다이오드입니다.

터널 다이오드(Tunnel Diode), 에사키 다이오드(Esaki Diode)

터널 다이오드는 터널효과를 이용하는 다이오드로 1957에 에사키에 의해서 발명된 제품이라 그 이름을 따서 에사키 다이오드라고도 하며, 불순물 반도체에서 부성 저항특성(전압을 올리면 전류는 반대로 감속하는 특성)이 나타나는 현상을  응용한 P-N접합 다이오드입니다. 불순물 농도를 증가시키면 반도체로서 P-N접합을 만들면 공핍층의 장벽이 아주 얇게 되어 양자역학적 터널 효과가 발생하고 갑자기 전류가 많이 흐르게 되면 손방향 바이어스 상태에서 부성 저항특성이 나타나게 됩니다.

터널 다이오드는 특징으로는 

- 발진과 증폭이 가능하고 동작 속도가 빨라져 마이크로파대에서 사용이 가능하다.
- 방형성이 없고, 잡음 등 특성상 개선할 점이 많은 다이오드이다.
- 반도체에 주로 쓰이며, 마이크로파 영역에서의 사용을 위해 게르마늄, 칼륨비소, 실리콘이 주로 쓰이며, 작은 용기에 봉해져있다.

여기서 잠깐!! ‘ㅁ’
터널효과란? : 양자역학적 효과로 장벽의 에너지 레벨보다 낮은 에너지 밖에 가지고 있지 않는 입자가 장벽의 외측에 배어 나오는 것.

임팻 다이오드(IMPATT Diode)

임팻이라는 것은 IMPact-ionization Avalanche and Transit Time이라는 약간 복잡한 말의 약자인데, 부성 저항특성을 얻기 위하여 전자사태 현상과 주행시간 지연등을 이용한 특수 마이크로파 다이오드입니다. 이 원리를 발표한 W.H. Read의 이름을 따서 리드 다이오드라고도 합니다.

임팻 다이오드는 잡음이 많은 결점이 있으나 효율이 매우 좋은 고출력 마이크로파 발진 소자로, 마이크로파의 특성을 살려 공동이나 동출의 발진기로 저립하여 발진시키고 마이크로파 통신기의 국부 발진에 소형 레이더 발진등에 이용되고 있습니다.

건다이오드(Gunn Diode)

1963년 미국 IBM사의 건에 의해 발명된 마이크로파용 반도체 발진소자. 칼륨비소 또는 인화인듐 및 텔루륨화카트뮴 등의 단결정을 3[KV/cm]이상의 직류 강전계 중에 두어, 어떤 조건 하에서는 부성 저항을 갖는 성질을 이용하여 마이크로파의 발진을 일으키는 것으로 마이크로파에서 밀리파에 이르는 초소형 마이크로파 발진기의 발진소자로 사용됩니다. 동작전압이 10V 정도로 낮고 회로가 간단하여 차량 속도 감지기 등에 이용되고 있으나, 건 다이오드의 발진 주파수가 전압이나 온도 변화에 매우 민감하므로 외부에 안정적인 공동 공진기와 PLL회로를 구성한 규격화된 모듈이 통신용으로 사용되고 있습니다.

PIN다이오드(PIN Diode)

보통의 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체의 접합에 의해 만들어진다. 그런데 PIN 다이오드의 이름에서 P와 N사이아 I라는 문자가 들어 있습니다. 여기서 I는 intrinsic의 머릿글자로서, 진성 반도체의 층 또는 영역을 의미하는 반도체를 만드는 일은 불가능하기 때문에, 실제로는 PIN다이오드내의 P형과 N형 사이에 고유저항이 매우 높은 P형 또는 N형사이에 고유저항이 매우 높은 P형 또는 N형 영역이 추가된 형태로 만들어진다.

PIN다이오드는 주로 센서로 이용되고 있습니다. 역방향 바이어스가 될 때 거의 일정한 캐패시터처럼 동작하며, 순방향 바이어스가 될 때는 전류 제어 가변저항과 같이 동작합니다. 저항이 전류의 양에 의하여 제어되기 때문에 감쇠기의 응용분야에 사용되며, 광 파이프 시스템의 광 검출기로 이용됩니다.

발광 다이오드(Light emitting diode)

화합물 반도체로 만든 다이오드에는 전류를 흘리면 캐리어(전자와 정공)의 과잉 에너지에 의해 효율적으로 발광하는 것이 있는데, 이것을 이용한 발광 소자입니다.. 발광 다이오드는 전기 에너지를 광에너지로 직접 변환하므로 효율적이고 전력 소비가 적으며, 신뢰성이 높고 고속 응답을 하는 등의 특징이 있습니다. 따라서 가전 제품이나 자동차 계기류의 표시 소자로, 광통신용 광원의 일부로 사용되고 있으며, 반도체 재료 중에는 과잉 에너지를 빛으로 방출하기 쉬운 것과 열로 소비하기 쉬운 특성을 가지는 것이 있습니다. 예를 들어, 집적 회로나 트랜지스터에서 잘 쓰이는 실리콘은 발광 다이오드용 재료로서는 부적합하며, 화합물 반도체인 칼륨-비소, 칼륨-알루미늄-비소, 칼륨-인 등이 사용되고 있습니다.

CYMERA_20130410_100529《그림 1-12》
디바이스마트에서 판매중인 발광 다이오드

 

 

 

 

 

 

 

3. 다이오드 회로도 기호

다이오드는 상당히 많은 종류가 있고 그 회로도에서의 표현 방법도 종류에 따라 다르게 표현 합니다. 그래서 그 많은 기호를 찾을 수가 없어서 주로 쓰여지는 회로도 기호만 알아보았습니다. 그럼 보시겠습니다.

다이오드 기호

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 전.. 봐서 모르겠습니다..;; 어렵네요.. 기호들이..ㅎㅎ 저 같은 초보분들은 다 똑같다고 생각하실듯..ㅎㅎ
그럼 마지막 챕터로 가겠습니다~~^^

4. 다이오드의 동작원리

PN 접합 다이오드
실리콘에 각각 도핑하여 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하게 되면 P형의 정공과 N형의 전자가 접합영역에서 결합하여 공핍층 생성하고 공핍층은 정공이나 전자와 같은 캐리어가 없는 절연영역이며, 접합영역을 통과하는 캐리어의 이동을 방해합니다. 전자나 정공이 공핍층을 통화가기 위해서는 일정 이상의 전압이 필요하며, 이 전압을 전위장벽이라고 하고, 일반적으로 실리콘(Si)은 0.7V, 게르마늄(Ge)은 0.3V가 필요합니다.

순방향 바이어스 & 역방향 바이어스의 동작원리

순방향 바이어스(+ : P형, – : N형)

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양전위가 가해진 P형의 정공이 N형으로 이동하고 음전위가 가해진 N형의 전자가 P형으로 이동하며 공핍층이 축소되며, 정공과 전자(캐리어)의 이동이 월활하여 전류가 흐르게 된다.

역방향 바이어스(- : P형, + : N형)

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음전위가 가해진 P형의 정공이 전원쪽으로 이동하고 양전위가 가해진 N형의 전자도 전원쪽으로 이동하며 공핍층이 증가됩니다.
가해진 전압의 크기가 클수록 공핍층은 넓어지며, 공핍층을 통과하는 소수 캐리어의 의한 역방향 누설전류가 발생되고, 또한 정공과 전자(캐리어)의 이동이 원활하지 못하며 역방향 누설전류 외에 전류가 흐르지 못하게 됩니다.

이상으로 다이오드에 관한 글을 마치겠습니다..^^ 읽어주셔서 감사합니다..^^V

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내가 바로 초보자다!! 시리즈 보기⊙▼⊙v

1탄 저항편

 

 

Comments
2 Responses to “『 내가 바로 초보자다!! – 다이오드 편 』”
  1. 리즈홍 says:

    많은 도움됐습니다. 앞으로 꾸준히 읽도록하겠습니다.

  2. 249 says:

    좋은글이 많네요 감사합니다

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