다이오드 원리와 종류

먼저 다이오드 원리에 대해서 정리를 해보도록 하겠습니다

 

다이오드는 기본적으로 PN 접합형으로 이루어져 있습니다

 

여기서 PN 접합형이란 P는 Positive 긍정의 의미로 +라는 뜻입니다

전기전자에서 긍정이란 +전원을 의미하게 되고

반도체에서는 +전하를 가진 정공이 많이 존재하는 반도체입니다

 

N은 Negative 부정의 의미로 P와 반대로 - 의미가 됩니다

반도체에서는 -전하를 가진 전자가 많이 존재하는 반도체입니다

 

이 두 반도체를 붙인 형태가 바로 PN 접합입니다

PN 접합인 경우 전류가 P에서 N으로 흐를 때는 순방향 전류라고 하며

전류가 잘 흐르게 됩니다

 

반대로 N에서 P로 흐르려고 하면 거의 흐르지 않습니다

이 원리로 다양한 반도체 회로를 설계하고 생산하여

전자제품을 만들 수 있는 것입니다

 

다이오드는 기본적인 PN 접합 반도체의 원리를 응용하여

주로 교류를 직류로 정류하는 역할을 합니다

펌프로 비유했을 때는 역류를 방지하기 위한

체크밸브와 같은 것입니다

 

다이오드의 구조 (직접그림)

먼저 다이오드의 구조입니다

 

P형 반도체에는 앞서 말했듯이 + 전하를 띠는

정공으로 구성되어있고

N형 반도체에는 - 전하를 띠는

전자로 구성되어있습니다

 

다이오드의 구조를 봤을 때는

PN 접합형 반도체로 구성되어있고

가운데 A 영역이 있습니다

 

여기서 A 영역은 공핍 영역입니다

실제로 접합부에 있는 부분이 아니고

전류의 흐름 방향에 따라 크기가 달라지는 부분입니다

 

순방향 역방향에 따라 달라지는데

순방향인 경우에는 그림처럼 +전압은 P에 걸고

GND 즉 -는 N에 거는 경우입니다

이때는 공핍 영역이 작아지므로 N에서 P로 전자가 잘 넘어가는 상태가 됩니다

그러므로 순방향일 때는 전류가 잘 흐르게 됩니다

 

아무리 순방향이라도 특정 전압 이상을 흘려줘야 됩니다

여기서 특정 전압을 문턱전압이라 불립니다

보통 실리콘 다이오드 기준으로 봤을 때는

0.7V 이상 전압이 높아져야 전류가 흐르게 됩니다

그 이하인 경우에는 공핍 영역이 최소가 되더라도

전자가 P 쪽으로 넘어가기에는 충분한 힘을 받지 못했으므로

전류가 거의 흐르지 않습니다

 

문턱전압의 예를 들어 실리콘 다이오드가 있습니다

이 다이오드를 거치면 보통 0.7V의 문턱전압이 생갑니다

순방향으로 전압을 걸어줬을 때 1V를 걸었다고 가정하면

1V - 0.7V = 0.3V

최종적으로 순방향으로 실리콘 다이오드를 거치게 되면

0.3V가 흐르게 됩니다

정밀한 회로에서는 이 정도 문턱전압은 상당히 큰 수치이므로

이를 보완한 다이오드가 필요합니다

 

역방향일때 전자흐름

역방향일 때 전류입니다

 

그림과 같이 이렇게 P에서 전자를 서로 당겨버리고

반대편 N에서는 P에서 탈출한 전자를 밀어버려서

A영역이 넓어지게 됩니다

 

그러므로 문턱전압도 커지기 때문에 전자가 이동하기 어려워

전류가 거의 흐르지 않게 됩니다

 

여기서 역방향인 상태로 다이오드에 걸린 전압을

최대한 높여보면 어떻게 될까요

 

답은 특정 전압에서 전류가 갑자기 크게 흐른다입니다

 

 

 

공핍 영역이 넓어지더라도 흐르는 전압의 세기가 커져서 한계점에 다다르면

P에서 탈출한 전자가 많아지게 되고 N 반도체의 - 전자들도 버티지 못한 상태가 됩니다

이 현상이 지속되면 결국 PN 접합 부분은 파괴되어 전류가 흐르게 됩니다

 

다이오드의 역방향 전압 한계를 항복 전압이라 불립니다

다이오드가 항복 전압 이상을 넘어가게 되면

다이오드의 역할을 더 이상 하지 못합니다

그러나 예외는 있습니다

예외는 다이오드 종류에서 설명합니다

 

다양한 다이오드

다이오드의 종류입니다

 

다이오드의 종류는 정류 다이오드, 쇼트키 다이오드,

제너다이오드, 터널 다이오드, 발광다이오드, 포토다이오드, 베리 캡 다이오드 등이 있습니다

 

여기서 다뤄볼 다이오드는 정류 다이오드와 쇼트키 다이오드, 제너다이오드

3가지 종류를 다뤄보겠습니다

 

정류다이오드

먼저 정류 다이오드입니다

 

다이오드의 가장 기초가 되는 종류입니다

순방향일 때는 전류가 잘 흐르고 역방향일 때는 전류가 흐르지 않는 특징을 이용하여

주기적으로 전류의 방향이 바뀌는 교류를 직류로 정류하는 역할을 합니다

 

보통 전압강하는 실리콘 반도체를 사용하기 때문에

0.7V정도 전압강하가 일어나게 됩니다

그러므로 정밀한 회로에 사용하기에는 어렵습니다

 

항복 전압은 정류 다이오드 종류마다 다릅니다

사진에 나와있는 다이오드는 1N4001 입니다

데이터 시트를 보면 항복 전압 50V정도 됩니다

 

보통 정류 다이오드는 1N4000 시리즈를 많이 쓰게 됩니다

그 경우에는 1N 옆에 4000 숫자에서 일의 자리 수로

다이오드 항복 전압을 알 수 있습니다

2 인경우에는 100V

3 인경우에는 200V

4, 5, 6, 7 인 경우에는 각각

400V, 600V 800V, 1000V

항복 전압이 됩니다

 

이 이상으로 역방향으로 전압을 가한다면

다이오드에 문제가 생기므로 사용되는 회로나 환경에 따라

적절한 다이오드를 선택해야 됩니다

 

제너 다이오드

다음은 제너 다이오드입니다

 

제너다이오드는 항복 전압을 보완한 다이오드입니다

역 방향 전압을 걸어줘서 항복 전압 이상으로 전압을 걸어줬을 때

다이오드는 파괴되지 않고 일정 전압을 유지하는 특성을 가집니다

이때 제너다이오드가 유지하는 전압을 제너 전압이라 불립니다

 

이 특성을 활용해 일정한 전압을 공급하는 전원장치나

전압을 일정하게 유지해야 되는 보호회로에 주로 쓰입니다

 

사진에 나와있는 제너다이오드는 1N4742 입니다

데이터 시트를 확인해보면 제너 전압이 12V이므로

12V를 일정하게 공급하거나

12V 이상 넘어가지 않는 보호회로를 구성할 때

쓰이는 제너다이오드입니다

 

쇼트키 다이오드

마지막으로 쇼트키 다이오드입니다

 

쇼트키 다이오드는 정류 다이오드와 비슷합니다

그러나 내부에 들어가는 물질이 다릅니다

정류 다이오드는 주로 실리콘을 쓰지만

쇼트키 다이오드는 금속물질을 사용하여 공핍 영역을 개선해

순방향에서 문턱전압을 낮춘 다이오드입니다

 

보통 실리콘 다이오드가 0.6 ~ 1.2V 문턱전압이라면

쇼트키 다이오드는 0.2~0.8V 정도로 문턱전압이 낮습니다

그러므로 정밀한 회로에 사용 가능하고

낮은 교류전압을 전압강하를 최소화하여 정류할 수 있습니다

 

그러나 쇼트키 다이오드는 단점이 있습니다

일반적인 정류 다이오드와는 달리 항복 전압이 낮기 때문에

전압이 높은 경우에는 쉽게 고장이 날 수 있습니다

그러므로 저전압에서 주로 사용되는 다이오드입니다

 

이처럼 전자회로에서는 이런 다이오드의 원리를 응용하여

많은 부품과 회로를 구성합니다