다이오드의 기본 개념 알아보기
안녕하세요.
오늘은 다양한 곳에 사용되는 소자인 다이오드의 기초 개념에 대하여 알아보겠습니다
▶다이오드 기본 개념
먼저 다이오드의 기본 심볼은 위 사진과 같습니다. 다이오드는 P형반도체인 애노드와 N형 반도체인 캣소드로 구성되어 있습니다.
일반 저항은 전압대 전류의 그래프가 직선이기 때문에 선형소자(linear device)입니다.
다이오드는 전압대 전류의 그래프가 직선이 아니기 때문에 비선형 소자(nonlinear device)입니다.
그 이유는 전위장벽이라는 것 때문입니다.
그렇다면 전위장벽이란? 에너지 밴드가 구부러져 있다는 것은 전하로 인한 전계가 형성되어 있다는 것을 의미하고, 이는
양단에 전위차가 있다는 것을 의미하는데 이때의 전위차를 전위장벽이라하고 N(P) 영역의전도대(가전자대)에 있는 전자(정공)의 이동을 방해하게 됩니다.
다이오드 전압이 전위장벽보다 낮을 때 다이오드 전류는 적고, 전위장벽보다 높으면 다이오드 전류는 가파르게
증가합니다.
그림 1은
전지의 양의 단자가 저항을 통해 다이오드의 애노드 쪽을, 전지의 음의 단자가 캣소드 쪽에 연결되어 있을 때를 순방향 바이어스라고 부릅니다. 이렇게 구성되었을 때 다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있습니다.
만약 전극이 반대 방향으로 연결되면 다이오드에는 역방향 전압이 걸리게 되어 다이오드를 통해 전류가 흐를 수 없게 됩니다.
그림 1의마찬가지로 극성을 반대로 하고 역방향 바이어스에서 다이오드 전류와 전압을 측정해 볼 수 있습니다.
다이오드 전압과 다이오드 전류를 좌표로 표시하면 그림 2와 같이 그래프가 만들어질 것입니다. 순방향 바이어스와 역방향 바이어스 일 때 다이오드의 전압, 전류 특성을 한 번에 비교 가능한 그림입니다.
예를 들면 다이오드가 순방향 바이어스일 때, 다이오드 전압이 전위장벽에 이를 때까지 전류는 매우 적게 흐른다. 이와 반대로 다이오드가 역방향 바이어스일 때, 다이오드 전압이 항복전압에 도달할 때까지 역방향 전류는 거의 흐르지 않는다.
여기서 항복전압이란 다이오드는 최대 전압정격이 있는데 다이오드가 파괴되기 전에 견딜 수 있는 역방향 전압의 한계를 말합니다. 즉, 항복전압을 초과한 역방향 전압이 다이오드에 걸리면 다이오드 소자가 파괴되는 것입니다.
그림 2의 순방향 바이어스 영역을 좀 더 자세히 해석하면 아래와 같습니다.
1. 다이오드 전압이 전위장벽과 비슷해질 때까지 전류가 거의 0이다.
2.0.6~0.7V 근처에서 다이오드 전류가 증가한다.
3. 다이오드 전압이 0.8V 이상일 때 다이오드 전류는 상당히 증가하고 그래프는 거의 직선이 된다.
대체적으로 그림 2와 같이 정확하진 않지만 비슷한 그래프가 되고 실리콘 다이오드는 무릎전압이 대략 0.7V입니다.
다이오드는 도핑 정도와 실제크기에 따라 최대 순방향 전류, 정격전력과 기타 특성이 서로 다르고 만약 정확한 해석이 필요하면 특정 다이오드의 그래프를 확인하고 이용해야 합니다.
▶무릎전압
간혹 다이오드 관련 개념 공부를 하다 보면 무릎전압이라는 단어가 보입니다. 무릎전압이란 순방향 바이어스 영역에서 전류가 가파르게 증가하기 시작하는 전압을 다이오드의 무릎전압(knee voltage)이라 말합니다. 즉, 무릎전압은 전위장벽과 같습니다.
일반적으로 다이오드의 회로해석은 결국 다이오드 전압이 무릎전압보다 높은가 혹은 낮은 가를 결정하는 것에 목적이 있다고도 볼 수 있습니다.
참고로 게르마늄 다이오드의 무릎전압은 대략 0.3V입니다.
무릎 전압을 지나면 다이오드 전류는 가파르게 증가합니다.
다이오드 전압이 약간 증가하면 다이오드 전류가 대단히 증가한다는 것을 의미합니다.
▶벌크저항
또 다이오드의 특성을 공부하면서 보게 되는 단어 중 벌크저항이라는 것이 있습니다.
앞서 설명한 전위장벽을 극복하고 나면 전류를 방해하는 것은 P와 N영역의 옴성 저항(ohmic resistance)뿐입니다.
(만약 p와 n영역을 분리된 반도체라고 하면, 각 조각은 일반 저항기와 마찬가지로, 저항계로 측정이 되는 저항이 있음.)
이러한 옴성 저항의 합을 다이오드의 벌크저항(bulk resistance)이라고 하며 보통 1Ω 미만 입니다.
다이오드 전류가 너무 많이 흐르면, 과열로 인해 다이오드가 파손될 수 있습니다. 이 때문에 제조업자가 작성한 데이터시트에는 수명단축이나 특성의 열화 없이 다이오드를 안전하게 취급할 수 있는 최대전류가 명시되어 있으니 사용 전 확인이 필요합니다.
다이오드의 데이터 시트를 보면 최대 순방향 전류와 정격전력이 표기되어 있을 것입니다.
최대 순방향 전류(maximum forward current)는 다이오드가 소자를 손상시키지 않고 전달할 수 있는 순방향 전류의 최대 값을 말합니다.
정격전력(power rating)은 다이오드가 수명단축이나 특성의 열화 없이 안전하게 소모할수 있는 최대전력을 말합니다.
▶이상적인 다이오드
현실에서 실제 사용되는 소자들은 이상적일 수 없지만 학문을 공부할 때 우리는 대부분 이상적인 부분에 대해서도 학습하게 됩니다. 그렇기에 이상적인 다이오드의 특성도 간단히 알아보겠습니다.
그림 3은-전압 그래프입니다.
순방향 바이어스 일때 저항이 0으로 완전 도체처럼 동작하고 역방향 바이어스일 때 저항이 무한대로 완전 절연체처럼 동작합니다.
이상적인 다이오드는 순방향 바이어스 일 때 스위치가 닫혀 도선을 이어주는 것처럼 동작한다고 볼 수 있습니다. 또 역방향 바이어스 일 때는 스위치가 열려 도선을 끊을 것과 같이 동작하는 것으로 비유할 수 있습니다.
오늘도 보디빌더의 전력전자 이야기에 방문해 주셔서 감사합니다
제가 공부한 거 여러분이 궁금한 거 토대로 공부해서 올려드리겠습니다
감사합니다
사진출처- 전자회로