39. 다이오드의 기본

다이오드의 기본 동작

다이오드란 전압을 일정한 방향으로 인가했을 때만 전류가 흐르는 정류 작용을 하는 2단자 반도체 디바이스입니다. 다이오드에는 다양한 종류가 있습니다. 예를 들면 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 pn 접합 다이오드와 반도체와 금속을 접합시킨 쇼트키 배리어 다이오드, 터널 효과에 따른 항복 현상을 이용하여 비교적 낮은 역전압으로 전류가 흐르는 제너 다이오드(정전압 다이오드), p형과 n형 사이에 i(intrinsic)형을 끼워 소수 캐리어의 축적 효과를 높여 역회복 시간을 짧게 한 pin 접합 다이오드 등이 있습니다. 이번 장에서는 가장 기본적인 pn 접합 다이오드를 예로 들어 기본 구조와 동작 특성을 설명합니다.

기본 구조

pn 접합 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 매끄럽게 접합한 구조를 채용합니다. pn 접합부에서는 전자와 정공이 서로 상쇄되어 다수 캐리어가 부족한 공핍층이 형성됩니다. 이 공핍층 안에서는 n형 반도체 쪽은 양(+)으로, p형 반도체 쪽은 음(ー)으로 대전되어 있기 때문에 내부에 전기장이 발생합니다. 즉, 공핍층의 양단에는 전위차(확산 전위)가 발생합니다. 그러나 이 전위차와 조화를 이루기 위해 내부에서 캐리어가 재결합하기 때문에 이 상태에서는 양단의 전압은 영(0)이 됩니다.


<반도체의 pn 접합과 띠 구조의 모식도>

동작 특성 : 순방향 바이어스

아노드(양극)쪽에 양전압, 캐소드(음극)쪽에 음전압을 인가한 것을 ‘순방향 바이어스를 걸다’라고 합니다. 이것을 실행하면 n형 반도체에 전자를 p형 반도체에 정공을 주입하게 됩니다. 그 결과 다수 캐리어가 과도 상태가 되기 때문에 공핍층이 축소, 소멸하고 캐리어는 접합부 근처에서 차례로 결합하여 소멸(재결합)합니다. 다이오드 전체로 보면 이러한 동작은 전자가 캐소드에서 아노드로 흐르는 즉, 전류가 아노드에서 캐소드로 흐르는 것입니다. 순방향 바이어스를 거는 경우 바이어스 전압의 상승에 따라 전류는 급격하게 증가합니다. 그리고 전자와 정공의 재결합에 따라 그것들이 가지고 있는 에너지가 열 또는 빛으로 방출됩니다. 또한, 순방향 전류를 흘리는 데 필요한 전압을 순방향 전압 강하라고 합니다.


<순방향 바이어스할 때의 pn 접합 다이오드>

동작 특성 : 역방향 바이어스

아노드(양극)쪽에 음전압을 인가하는 것을 ‘역방향 바이어스를 걸다’라고 합니다. 이것을 실행하면 n형 반도체에 정공을, p형 반도체에 전자를 주입하게 되기 때문에 각각의 영역에서 다수 캐리어가 부족해집니다. 그러면 접합부 근처의 공핍층이 더욱 커지고 내부 전기장이 강해지기 때문에 확산 전위가 상승합니다. 이 확산 전위는 외부로부터 인가되는 전압을 상쇄하는 쪽으로 작용하기 때문에 역방향에는 전류기 흐르기 어렵게 됩니다. 실제 다이오드에서는 역바이어스를 건 상태에서도 매우 작은 역방향 전류가 흐릅니다. 이 전류를 누설 전류 또는 드리프트 전류라고 합니다. 그리고 역방향 바이어스를 높게 하면 제너 항복과 전자사태 항복이 발생하여 급격히 전류기 흐르게 됩니다. 이러한 항복 현상이 시작되는 전압을 (역방향) 항복 전압 또는 (역방향) 브레이크다운 전압이라고 합니다. 또한, 항복 현상에 따라 급격하게 역방향 전류가 증가하는 영역을 항복 영역(브레이크다운 영역)이라고 합니다. 브레이크다운 영역에서는 전류 변화에 비해 전압 변화가 작습니다. 이러한 동작을 적극적으로 사용하여 저전압원으로 이용한 것이 제너 다이오드입니다.


<역방향 바이어스할 때의 pn 접합 다이오드>

다이오드의 최대 정격

과도 피크 역방향 전압

과도적으로 역방향으로 인가할 수 있는 최대 전압

반복 피크 역방향 전압

반복해서 역방향으로 인가할 수 있는 최대 전압

역방향 전압

연속적으로 인가할 수 있는 역방향 전압의 최대 허용값

돌입 전류

과도적으로 순방향으로 걸 수 있는 최대 전류

최대 순방향 전류

반복해서 인가할 수 있는 순방향 전류의 최댓값

평균 정류 전류

저항 부하의 반파 정류 회로에서 끌어낼 수 있는 평균 정류 전류의 최댓값

과도 피크 역방향 전력

다이오드의 역방향으로 과도적으로 소비시킬 수 있는 최대 전력. 애벌란시 다이오드 등에서 규정된다.

허용 전력

다이오드에서 반복해서 소비시킬 수 있는 최대 허용 전력값

전기적 특성

순방향 전류

규정한 순방향 전압 을 가했을 때 흐르는 전류값. 일반적으로 최솟값으로 나타냅니다. 순방향 특성의 상승 정도를 나타냅니다.

순방향 전압

규정한 순방향 전류 를 흘렸을 때 나타내는 전압값. 일반적으로 최댓값으로 나타냅니다.

역방향 전류

규정한 역방향 전압 을 가했을 때 흐르는 전류값. 일반적으로 최댓값으로 나타냅니다.

역방향 전압

규정한 역방향 전류 를 흘렸을 때 나타내는 전압값. 일반적으로 최솟값으로 나타냅니다.

단자 간 용량

역방향 바이어스 전압을 가했을 때의 단자 사이의 정전 용량

역회복 시간

순방향으로 전기가 통하고 있는 상태에서 갑자기 역방향으로 전압을 인가했을 때 흐르는 역방향 전류 가 규정값 에 수렴하기까지 걸리는 시간. 의 규정이 없는 경우에는 로 하는 것이 일반적입니다.