다이오드 특성에 대한 이해
안녕하세요.
지난 포스팅에서 다이오드에 대해서 기초적으로 알아보았지만 그전에 도핑에 대하여 알게 되면
다이오드, BJT, Mosfet, 등 스위치에 대한 이해를 돕는데 조금 더 수월 하실거라는 생각이 들었습니다.
아래 이미지를 통해 도핑과 도펀트, 전기전도도를 간략히 정리해 보았습니다.
반도체는 순수반도체와 불순물 반도체로 나뉘어 지는데, 순수반도체에 불순물을 첨가한 것을 불순물 반도체라고 합니다. 전력전자를 공부한 분들은 들어보셨을 P형 반도체와 N형 반도체가 바로 불순물 반도체입니다.
순수반도체에 불순물을 첨가하는 것을 바로 도핑이라고 합니다.
그렇다면 순수반도체에 어떻게 도핑을 하고 어떤 결과물이 생기는 건지 알아보겠습니다.
불순물 반도체에 P형 반도체와 N형 반도체가 있다고 앞서 설명드렸는데요!
N형 반도체는 순수 반도체에 '전자'를 도핑한 것을 말합니다.
N형의 N은 Negative에서 따온 것으로 전자를 도핑, 즉 전자를 추가하여 Negative 성질을 띄기 때문입니다.
순수 반도체에 13족인 원소를 도핑하여 P형 반도체를 만들고 15족 원소를 도핑하여 N형 반도체를 만듭니다.
▶N형 도핑
아래 사진은 15족인 P(인)를 도핑하여 만들어진 N형 반도체입니다.
▶P형 도핑
아래 사진은 13족인 B(붕소)를 도핑하여 만들어진 P형 반도체입니다.
실리콘보다 전자가 1개 부족한 붕소가 도핑되어 전자의 결함이 발생합니다. 이러한 결함을 정공이라고 합니다.
정공은 자유전자를 쉽게 받아들이므로 전자가 1개 많은 N형 반도체의 전자가 P형 반도체에 쉽게 흡수되는 점을 이용한 게 바로 PN접합입니다.
▶PN Junction(PN접합)
위에서 설명한 N형 반도체와 P형 반도체를 접합한 것이 바로 PN접합이며 이것이 우리가 알고 있는 다이오드입니다.
이렇게 생성된 다이오드는 어떤 특성을 가지게 될까요?
P형 반도체와 N형 반도체를 접합하면 접합면에서 정공과 전자의 이동이 발생합니다.
P형 반도체에서 N형 반도체로 정공이 이동하고, N형 반도체에서 P형 반도체로 전자가 이동합니다.
과학시간에 배운 +는 -와 만나려고 하고 -는 +와 만나려고 하는 원리와 같이 이동이 발생하는 것입니다.
하지만 이런 이동이 계속 이루어지는 것이 아니라 결국 안정화가 되어 P와 N의 접합면에서 더 이상 정공과 전자의 이동이 발생되지 않는 '공핍층'이 생성됩니다.
반도체를 개발한 것은 전류를 흐르지 못하도록 하기 위한 것이 아닌, 의도한 상황에서 전류가 흐르도록 하기 위해 만든 것이므로 다이오드도 어떤 조건이 갖춰지면 전류가 흐를 수 있습니다.
그렇다면 어떻게 하면 공핍층을 줄여 다이오드에 전류가 흐르게 할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.
그전에 먼저 다이오드의 기호를 알아보겠습니다.
▶다이오드
다이오드는 전류가 한 방향으로 흐르게 하는 소자라고 할 수 있습니다.
가장 일반적인 종류의 다이오드는 반도체 다이오드로 아래 그림과 같은 기호로 나타냅니다.
P형 반도체 부분이 Anode이고 N형 반도체 부분이 Cathode가 되며 전류는 다이오드의 Anode에서 Cathode 방향으로 흐르게 됩니다.
다음으로 다이오드가 전류가 흐를 수 있는 조건을 알기 위해 순방향, 역방향 전압을 이해해야 합니다.
▶순방향 전압
위 사진은 다이오드에 순방향 전압을 인가한 회로를 보여주고 있습니다. 그림을 통해 알 수 있듯이 다이오드의 Anode에 양극(+) 단자를 연결하고 Cathode에 음극(-) 단자를 연결하여 회로를 구성하면 전류가 흐르게 됩니다. 다이오드에 이렇게 전압을 인가한 것을 순방향 전압을 인가했다고 표현합니다.
▶역방향 전압
또한 위 그림을 통해 알 수 있듯이 다이오드의 Anode에 양극(-) 단자를 연결하고 Cathode에 음극(+) 단자를 연결하여 회로를 구성하면 전류가 흐르지 않게 됩니다. 다이오드에 이렇게 전압을 인가한 것을 역방향 전압을 인가했다고 표현합니다.
그 이유는 +단자는 N형 반도체의 전자를 끌어당기고 -단자는 P형 반도체의 정공을 끌어당기게 되어 비전도성인 공핍층이 더욱 넓어지게 만들어 전류가 흐르지 않게 되는 것입니다.
역방향 다이오드는 넓어진 공핍층으로 전류가 통과하는 것을 방지하는 역할로 사용될 수 있습니다. 전기 회로 설계 시에 사람이 실수로 전압을 반대로 인가하여 소자들이 고장 나는 것을 방지하는 것이 사용 예시 중 하나입니다.
실제로 매우 적은 양의 전류가 누설 전류라고 하는 역방향 다이오드를 통과할 수 있지만 대부분의 경우 무시할 수 있는 정도입니다. 하지만 다이오드가 역방향 전압을 무한대로 견딜 수 있는 것은 당연히 아니므로 다이오드마다 견딜 수 있는 역방향 전압값이 제한되어 있습니다. 그 값을 초과한 역방향 전압이 인가되면 다이오드가 고장 나게 됩니다.
다이오드의 최대 역방향 전압 정격은 피크 역전압 또는 PIV로 부르며 데이터시트를 보면 알 수 있습니다.
▶다이오드를 유압식 체크 밸브와 비교해 보기
체크밸브는 본질적으로 압력으로 작동되는 장치입니다. 체크 밸브를 통과하는 압력이 게이트를 여는데 필요한 올바른 극성이면 열리면서 흐름이 허용되게 됩니다.
압력이 반대 극성인 경우 체크 밸브는 양단의 압력 차이에 의해 닫히고 게이트를 고정하여 흐름이 발생하지 않도록 합니다.
체크 밸브와 마찬가지로 다이오드는 본질적으로 압력 작동(전압 작동) 장치입니다. 순방향과 역방향의 전압 인가가 바로 다이오드를 통해 전류가 흐르게 할지 말지를 결정하는 전압 차이를 만드는 것입니다.
▶다이오드의 특성 정리
오늘 다이오드에 대해 공부한 내용을 아래 사진으로 정리해 보았습니다.
이 글을 통해 다이오드가 어떻게 만들어지고 동작 특성은 무엇인지 이해하는데 도움이 되면 좋을 것 같습니다.
오늘도 방문해 주셔서 감사합니다