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순방향 전압이 걸렸을 때 실리콘 다이오드는 약 0.7V, 게르마늄 다이오드에서는 약 0.2 V 이상에서 전류가 급격히 증가하는데, 이때의 전압을 다이오드의 문턱전압(threshold voltage)이라고 한다.
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콘덴서에 대한 설명- 콘덴서: 👉 https://youtu.be/oD4R0dG6qoQ
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다이오드 (diode) – 네이버 블로그
(a) 문턱 전압(barrier potential) : 문턱 전압은 오프셋 전압이라고도 하며, 반도체 물질이 Ge일 때는 0.2V~0.3V, Si 일 때는 0.5V~0.7V입니다.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 4/20/2022
View: 899
다이오드 원리와 종류 – 전자스핀의 전자구름띠
여기서 특정 전압을 문턱전압이라 불립니다. 보통 실리콘 다이오드 기준으로 봤을 때는. 0.7V 이상 전압이 높아져야 전류가 흐르게 됩니다.
Source: jajeoncloud.tistory.com
Date Published: 5/8/2022
View: 8020
다이오드 – 나무위키:대문
이를 문턱 전압(threshold voltage)이라고 하고, 규소(Si)로 만든 다이오드의 경우 0.7 V[6], 쇼트키 다이오드의 경우 0.5 V, 저마늄(Ge)으로 만든 …
Source: namu.wiki
Date Published: 1/10/2021
View: 6386
[전자회로] 다이오드를 사용하는 이유, 원리, PN접합
이 전압을 문턱전압이라고 한다. 2. 순방향 바이어스를 걸면 순방향 전류가 흐른다. 순방향으로 바이어스를 건다는 것은 P형쪽에 +극 …
Source: macgyvering.tistory.com
Date Published: 7/14/2022
View: 392
다이오드 회로의 일정전압모델 해석 – 정보를 공유하는 학습장
PN접합에서 다이오드는 전류를 흘리기 위해 문턱전압과(threshold voltage) 이상의 전압을 다이오드에 인가를 해야 전류가 흐를 수 있음을 알 수 …
Source: doctorinformationgs.tistory.com
Date Published: 5/4/2022
View: 9934
[다이오드] 다이오드의 특성과 종류
문턱전압 이상의 전압이 걸려야 전류가 흐르게 됩니다. 역방향 전류. 이상적인 다이오드는 역방향 전압이 인가되어도 전류가 흐르지 않지만.
Source: gdnn.tistory.com
Date Published: 2/24/2022
View: 2856
【회로이론】 7강. 다이오드
② 문턱전압(turn-on voltage) : V F로 표시. ○ 정의 : 전위장벽을 넘지 못하는 전압에서 전류는 흐르지만 크기가 작음. 다이오드가 큰 저항처럼 …
Source: nate9389.tistory.com
Date Published: 2/28/2021
View: 2028
다이오드의 원리 :: 불로구
전류의 흐름을 방해하는 문턱으로 작용하는 것이다. 이때 전압을 더 크게 걸어주면 전류가 흐르게 된다. 이것이 다이오드에서 일정이상의 정방향 전압 …
Source: tongui.tistory.com
Date Published: 2/16/2022
View: 4218
전자회로실험5 다이오드 특성 저항 읽는법 – 날개만드는중
✓ 저항 측정 단자를 이용하여 다이오드의 상태를 검사할 수 있다. 3) 특성곡선. a. 문턱전압(threshold voltage).
Source: changxii.tistory.com
Date Published: 9/30/2021
View: 3382
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주제에 대한 기사 평가 다이오드 문턱 전압
- Author: 공학적인 사고방식
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- Date Published: 2020. 7. 29.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=RI3uH0eo6ek
제2장 다이오드 특성
[ 전자회로실험 예비레포트 ] 제가 대학교3학년때 썼던 전자회로실험 예비레포트 관련이론 공유합니다 🙂 ★ 블로그자체에 오른쪽마우스사용을 금지해서 스크랩 후 긁어 사용하시면 됩니다 ★————————————————————————————————
[전자회로실험 제10판]제2장 다이오드 특성
– 목적
실리콘과 게르마늄 다이오드의 특성곡선을 계산하고, 비교하고, 그리고, 측정한다.
- 이론개요
다이오드의 동작 상태를 파악하기 위해서 대부분의 디지털 멀티미터를 사용할 수 있다. 순방향과 역방향 바이어스 영역에서 다이오드의 상태를 파악할 수 있는 단자(scale)가 멀티미터에 다이오드 기호로 표시되어 있다. 순방향 바이어스 상태로 연결되어 있다면, 멀티미터는 약 2mA 전류에서 다이오드 양단의 순방향 전압을 나타낼 것이다. 역방향 바이어스 상태로 연결되어 있다면, 이 영역에서는 보통 개방회로로 고려되며 그것을 입증하는 ‘OL’ 표시가 화면에 나타날 것이다. 만약 미터가 다이오드 검사 기능을 갖추고 있지 않다면, 순방향과 역방향 영역에서 저항값을 측정함으로써 다이오드 상태를 점검할 수 있다. 다이오드를 검사하는 이러한 두 방법을 실험 앞부분에서 다룰 것이다. 실리콘 또는 게르마늄 다이오드의 일반적인 전류-전압 특성곡선이 그림 2-1에 나타나 있다. 수직축과 수평축 모두 눈금 단위의 변화에 주의하라. 역방향 바이어스 영역에서 역방향 포화전류는 0V에서 제너 전위(Vz)까지 거의 일정하다. 순방향 바이어스 영역에서 전압이 증가하면 전류는 매우 급격히 증가한다. 1V 이하의 순방향 바이어스 전압에서 곡선이 거의 수직으로 상승하는 것에 주목하라. 순방향 바이어스 된 다이오드의 전류는 오로지 다이오드가 연결된 외부 회로나, 다이오드의 최대 전류 또는 전력 정격에 의해서 제한된다.
곡선에서 접하는 직선(그림2-1에서 점선)을 수평축과 만날 때까지 연장하여 점화 전위(firing potential) 또는 문턱 전압(threshold voltage)을 결정한다. 수평축 VD와 만나는 점이 문턱 전압 VT를 나타내며, 그 점에서 전류가 급격히 증가하기 시작한다.
특성곡선의 어떤 점에서 다이오드의 DC 또는 정저항(static resistance)은 RDC = VD / ID 와 같이 그 점에서 다이오드 전압과 다이오드 전류의 비로써 계산된다.
특정한 다이오드 전류 또는 전압에서 AC의 저항은 그림 2-2에 보여주듯이 접선을 이용하여 구할 수 있다. 결과적인 전압(⊿V)과 전류(⊿I) 변화량을 측정하고 다음 식을 적용한다.
rd = ⊿V / ⊿I
특성곡선의 수직 상승 영역에서 미분을 적용하면 다이오드의 AC 저항이 다음과 같이 주어짐을 볼 수 있다. rd = ⊿V / ⊿I = 26mV / ID 곡선의 무릎 부분(knee) 이하의 전류 레벨에서 다이오드의 AC 저항은 다음의 식으로 보다 더 정확히 근사화 한다. rd = 2 ( 26mV / ID )
- 실험에 관련된 이론
① 다이오드 다이오드는 하나의 몸체와 두 개의 전극을 가지는데, 이때 양극을 에노드(anode), 음극을 케소드(cathode)라 한다. 다이오드의 순방향 바이어스(forward bias) 때의 저항값은 아주 작고, 역방향 바이어스(reserve bias) 때의 저항값은 매우 크다. 이와 같은 pn접합 다이오드의 대표적 응용은 정류(rectification) 작용이다. 정류란 양방향 전류를 단방향 전류로 변환하는 것을 말한다.
(a) 실리콘 다이오드 : P형 반도체와 N형 반도체를 결합한 것으로, 정 방향에는 작은 전압으로도 전류가 흐르지만, 역방향으로는 수백 V에서도 전류가 흐르지 않는다. 따라서 정 방향에 대해서는 낮은 저항이 되어 전류를 흐르게 하지만, 역방향으로는 높은 저항이 되어 전류가 흐르지 않기 때문에, 정류 작용과 축전지에서 발전기로 전류가 역류하는 것을 방지하는 역할을 한다. 자동차의 교류 발전기에 설치할 때에는 다이오드 모양은 같으나 전류의 흐름 방향이 다르기 때문에 결선이 틀리지 않도록 하여야 하며, 스테이터 코일에서 발생한 3상 교류를 전파 정류하기 위해 ⊖측 다이오드 3개, ⊕측 다이오드 3개가 엔드프레임에 조립되어 있다. (b) 게르마늄 다이오드 : 고 순도의 N형 게르마늄을 사용한 접촉형의 다이오드로, 실리콘 다이오드에 비하여 내열성 및 내전압 특성이 나쁘기 때문에 현재는 제작이 중지되었다. 구조상으로 접합형, 점접촉형 등이 있다. 순방향 전압이 작은 것이 특징이나, 역전류가 비교적 큰 것이 결점이다. 변조기, 복조기, 리미터, 클램프 회로, 기타의 스위치 회로에 쓰인다. (c) 실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드의 차이 : 실리콘 다이오드는 순방향시 문턱전압(threshold voltage : 통상의 동작 범위에서의 순방향 전류 전압 특성의 직선 근사에서 전류가 0으로 되는 전압 절편. 디바이스가 특정한 동작을 기능하기 시작하는 전압.)이 0.65V정도 된다. 반면 게르마늄은 0.2~0.3V정도이다. 따라서 낮은 전압으로 동작시키는 경우는 게르마늄다이오드가 유리하다. 반면에 역으로 전압을 걸때 누설전류(Leakage Current)는 게르마늄다이오드가 많다. 실리콘 다이오드는 단위가 pA~nA정도로 낮지만 게르마늄다이오드는 uA정도가 된다. ② 바이어스(bias) 전자관이나 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압 또는 전류를 말한다. 이 전압을 독립적인 전원에서 주는 것을 고정바이어스, 회로의 동작전류를 이용해서 만드는 것을 자체바이어스라 한다. forward bias란 다이오드에 있어서, 전류가 흐르기 쉬운 방향으로 주어진 외부 전압을 나타내며 pn 접합의 p 반도체에 양, n 반도체에 음의 전압을 공급함으로써 pn접합부의 공핍층 전압이 작아져 전류가 증가한다. reserve bias란 다이오드에 있어서 전류가 거의 흐르지 않는 방향으로 주어진 외부 전압을 나타내며 pn 접합의 n반도체에 양, p 반도체에 음의 전압을 공급함으로써 전자와 정공이 각각 단자 쪽으로 끌어당겨져 공핍층이 확장되어 전류는 거의 흐르지 않는다. (a) forward bias에서, p형의 majority carrier인 hole은 p→n, n형의 majority carrier인 electron은 n→p로 이동한다. 이때 n영역으로 주입된 hole로 인해 n영역의 minority carrier hole농도는 증가하고, p영역의 minority carrier electron 농도도 증가한다. 그러면서 bias에 의한 전기장이 전위장벽에 의한 전기장 보다 커지게 되고 그에 따라, 전류가 잘 흐르게 된다. (b) reverse bias에서, p형에 남아돌던 electron들이 -전압 쪽으로 가게 되면서 전위장벽이 커져버리고 그에 따라 전류가 잘 흐를 수 없게 된다. 하지만 전압이 계속해서 커진다면 n형에 아주 약간 있던 electron들이 장벽을 뛰어넘고 p형으로 넘어가서 구조를 파괴한다. 그러면서 자체발광을 하게 되는데, 이것을 breakdown지점이라 한다. ③ 문턱전압(threshold voltage) 점화 전위(firing potential) 또는 천이 전압이라고도 부른다. 문턱전압은 어떤 장치 및 전자 부품이 동작을 시작하는 전압을 말한다. 이 레벨보다 큰 진폭을 가진 신호가 인식되는 전자 비교기의 전압레벨 전압 문턱 값은 사용자가 조정할 수 있고 고정하거나 자동 유동될 수 있다. 순방향 전압이 걸렸을 때 실리콘 다이오드는 약 0.7V, 게르마늄 다이오드에서는 약 0.2 V 이상에서 전류가 급격히 증가하는데, 이때의 전압을 다이오드의 문턱전압(threshold voltage)이라고 한다.
(실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드의 문턱전압 그래프)
다이오드 (diode)
(a) 문턱 전압(barrier potential) : 문턱 전압은 오프셋 전압이라고도 하며, 반도체 물질이 Ge일 때는 0.2V~0.3V, Si 일 때는 0.5V~0.7V입니다. 문턱 전압 이하에서는 순방향의 전압이 인가되어도 전류가 흐르지 않고 문턱 전압 이상의 전압이 걸려야 전류가 흐르게 됩니다.
(b) 벌크 저항(bulk resistance) : 순방향의 전류가 흐를때 다이오드의 반도체 자체가 이상으로 0Ω이 될 수 없어, 약간의 저항을 가지고 있습니다. 따라서 이를 반영하여 그림 3의 (b)와 같이 기울기를 가진 그래프로 나타낼 수 있습니다. 그리고 기울기에 따라서 다이오드의 저항을 나타낼 수 있겠습니다.
(c) 역방향 전류(reverse current) : 이상적인 다이오드는 역방향 전압이 인가되어도 전류가 흐르지 않지만 실제의 다이오드는 미세한 역방향 전류가 흐르게 됩니다. 이를 역방향 전류라고 하며 그림 3의 (c)와 같이 표현하였습니다.
(d) 항복 전압(breakdown voltage) : 다이오드는 역방향으로 차단할수 있는 전압이 한계가 있으며, 이를 항복 전압이라 합니다. 항복 전압을 넘어서면 더 이상 전류를 차단 시키지 못하고 역방향으로 전류가 흐르게 됩니다. 따라서 그림 3의 (d)는 항복 전압을 넘어 역방향으로 전류가 흐르는 것을 나타냅니다.
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
[전자회로] 다이오드를 사용하는 이유, 원리, PN접합
다이오드는 여러가지 기능이 있겠지만 보통은 ‘정류’를 위해 쓴다.
정류란 입력 전압이 일정값 이상이면 전류를 흘리고, 이하이면 흘리지 않는 것이다.
어떻게 해서 전류가 흐르지 않게 되는 것인지를 이해하기 위해서는 PN접합의 성질을 이해해야 한다.
PN접합은 단순하게 P타입의 반도체와 N타입의 반도체를 합쳐놓은 것이다.
PN접합이 바로 다이오드 그 자체이다. 다음은 PN접합의 성질에 대해서 공부해본다.
1. 공핍층이 존재
기본적으로 P형은 정공이 다수 캐리어이고, N형은 전자가 다수 캐리어다. 둘을 접합시켜놓으면 접합 부분에 p형의 정공과 n형의 전자가 확산된다. 그리고 확산된 다수캐리어로 인해 서로 상쇄되어 없어지는 부분이 생기는데 이를 공핍층이라고 부른다. 공핍층에서는 다수 캐리어는 확산으로 인해 상쇄되어 없어지지만 공간전하는 여전히 존재한다. 이 때문에 다수 캐리어와는 정반대의 전기장을 형성한다. 그래서 순방향 바이어스를 걸어주면 공핍층은 일종의 절연체처럼 작용하게 된다. 이 때 내부 전계를 넘어서는 전압을 걸어야만 순방향 전류가 흐른다. 이 전압을 문턱전압이라고 한다.
2. 순방향 바이어스를 걸면 순방향 전류가 흐른다.
순방향으로 바이어스를 건다는 것은 P형쪽에 +극을, N형쪽에 -극을 인가하는 것을 의미한다. 순방향으로 전압을 인가하면 P형쪽에서의 정공이 N형쪽으로 더 많이 이동하고, N형쪽에서의 전자가 +극 쪽으로 더 많이 이동한다. 이것이 단발성으로 그치는 것이 아니라, 넘어간 정공과 전자들은 전압원에 의해 지속적으로 순환하게 된다. 이 때 흐르는 전류를 순방향 전류라고 한다. 전압이 일정값 이상이면 전류를 흘리는 것이 다이오드의 목적이었는데 순방향 바이어스가 이 기능에 해당한다.
3. 역방향 바이어스를 걸면 전류가 거의 흐르지 않게 된다.
역방향 바이어스를 건다는 것은 P형쪽에 -극을, N형쪽에 +극을 인가하는 것을 의미한다. 역방향 바이어스를 걸면 각각의 캐리어가 전지와 연결된 극성에 끌려서 공핍층이 더욱 늘어나는 결과를 가져온다. 따라서 절연체로 인정되는 부분이 늘어나게 되고, 공간전하로 인한 전계는 더욱 상승하게 되면서 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 전압이 일정값 이하이면 전류를 흘리지 않는 것이 다이오드의 목적이었는데 역방향 바이어스가 이 기능에 해당한다.
4. 역방향 전압을 적정 전압보다 높게 인가하면 역방향의 큰 전류가 흐른다.
3번에서 전류가 거의 흐르지 않는다고 했는데 이는 사실은 조금은 흐른다는 말도 포함하고 있다. 다이오드에 역방향 전압을 가했을 때, 소수 캐리어가 공핍층을 뚫고 반대쪽으로 이동하기 때문에 역방향 전류가 조금 흐르게 된다. 그런데 만약 여기서 역방향의 큰 전압을 걸어주게 되면 공핍층을 뚫고 이동하는 소수 캐리어가 많아지게 되고, 높은 에너지를 갖게 된다. 이것들이 중성 원자들과 충돌하면서 더욱 더 많은 양의 이온화된 전자와 정공을 만들어내게 되고, 많은 양의 역방향 전류가 흐르게 되는데 이를 어발란체 현상 또는 어발란체 항복(Avalanche Breakdown)이라고 부른다.
항복 중에서는 어발란체 항복과 제너 항복이 있다. 제너 항복은 항복 현상을 역으로 이용하려고 만든 것이라고 보면 된다. 불순물의 농도를 높게 하여 공간 전하의 영역을 좁게 만든 다음, 역전압을 가해주면 공핍층에는 강한 전계가 만들어진다. 이 전계가 일정값 이상으로 높아지면, 이 전계에 의해 내부 원자 결합이 직접 이온화되어 항복이 발생하는 현상을 제너 항복이라고 부른다. 이를 이용한 다이오드가 제너 다이오드이다. 어발란체 항복과의 차이는 제너 항복은 전계가 원자를 직접 이온화시켜서 항복시키는 것이기 때문에 전류가 흘러서 중성 원자들과 충돌되는 것과는 조금 다른 개념인 것이다.
이러한 역전압 성질 때문에 제너 다이오드를 제외한 일반 다이오드 사용시 순방향전류와 역방향 전압이 미리 정해진 값으로 동작하도록 설계한다. 역전압에 견딜 수 있는 최고 전압을 PIV(Peak Inverse Voltage)라고 부르는데, 회로 설계시 이 PIV를 계산하여 항복(breakdown)이 일어나지 않는지 알아봐야 한다.
5. 결론
동작에 대해서 설명하자면, 다이오드는 순방향 바이어스 시에는 내부 전계 + 저항 + 단락(short)된 것으로 볼 수 있고, 역방향 바이어스 시에는 내부 전계 + 저항 + 개방(open)된 것이라고 볼 수 있다. 물론 이것은 항복이 일어나지 않는 범위 내에서의 모델링이다. 항복이 일어난다면 위에서 설명했던 이유때문에 단순한 개방회로로 작동하지 않는다.
각각의 값들이 조건에 따라 비선형적으로 변하는 값들이지만 일반적으로 선형으로 근사화하여 많이 사용하며 그렇게 계산하여도 큰 차이는 없다. 선형화하여 사용한다는 것은 다이오드 특성 곡선을 직선으로 근사화하여 사용하겠다는 것이다. 곡선이기 때문에 전류의 동작범위에 따라 근사화할 직선의 기울기가 달라질 수 있다. 따라서 전류의 동작 범위에 따라 문턱전압값과 내부저항값을 달리 해줘야 하는데, 대표적으로 사용되는 다이오드인 1N4001의 경우 0~10mA 까지는 VT = 0.66V, r = 4옴이며, 10~100mA 까지는 VT = 0.72V, r = 0.7옴이고, 100~1000mA 까지는 VT = 0.825V, r = 0.1옴이다.
다이오드 회로의 일정전압모델 해석
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PN접합에서 다이오드는 전류를 흘리기 위해 문턱전압과(threshold voltage) 이상의 전압을 다이오드에 인가를 해야 전류가 흐를 수 있음을 알 수 있습니다.
일정 전압모델은 Vout/Vin 그래프를 이상적인 다이오드 회로 해석에 비해 조금 더 정확하고, 복잡한 지수모델 해석에 비해 쉽게 회로를 해석할 수 있습니다.
몇 개의 예제만 풀어보면 일정전압 모델이 어떻게 해석이 되는지 알 수 있으니 간단한 설명과 예제들을 적게되는 구조로 이번 포스팅을 진행하려합니다.
이전에 언급했던 이상적인 다이오드회로 해석은 아래의 링크에 있습니다.
2021.10.02 – [전공(Major)/전자회로와 아날로그 회로설계] – 이상적인 다이오드 회로의 이해(회로기초, 측정을 통해 이해해보자)
일정전압모델(Constant-Voltage-Model)
원래 다이오드의 전류는 지수함수형태의 결과로 나옴을 알고있습니다. 회로 해석의 간편함을 위해서 아래 사진 1과 같이 근사화를 시킵니다.
사진 1. 일정 전압 모델로 근사시킨 I/V 커브
여기서 일반적인 문턱전압의 값(0.6 – 0.8V) 사이로 정하고, 해당되는 문턱전압 이상 전압을 높였을 때 다이오드의 전류가 흐르도록 하는겁니다.
사진 1에서는 문턱전압이 0.7V일 때 다이오드가 켜지며(ON) 전류가 흐르고 있음을 표현한겁니다.
이는 하나의 스위치와 하나의 DC 전압원으로 볼 수 있는데 이전 포스팅에서 본 이상적인 다이오드와 상당히 유사하지만 전원을 키기 위한 문턱전압을 고려한 모델인 것이죠.
간단한 표를 통해 이상적인 다이오드와 일정 전압 모델의 차이를 알아봅시다.
표 1. 이상적인 다이오드와 일정 전압모델의 차이
해석 방법 이상적인 다이오드 일정 전압 모델 고려된 것 켜짐과 꺼짐(Turn On % Off) : 스위치 켜짐과 꺼짐(Turn On % Off) : 스위치
문턱 전압 : 0.6 ~ 0.8 V의 직류 전압원
일정 전압 모델에는 두 가지의 규칙이 있으니 아래를 무조건 숙지하라
(1) 다이오드가 켜짐과 꺼짐의 경계상태(Vin=Vd)인 경우 다이오드의 전류는 대략 0이며 다이오드의 전압은
으로 표기한다.
(2) 다이오드가 켜졌다면 전류가 애노드에서 캐소드로 흐르며 스위치로 동작한다.
회로 표현의 단순화를 위한 약속
문제를 풀기 위해서 각각의 전압원을 표현하기에는 시간도 걸리고 귀찮다. 따라서 사진 2와 같이 전압원의 표기는 생략하고 인풋 포트(동그라미)에 Vin 을 적는 것으로 단순화한다.
사진 2. 간단한 표현의 약속
문제 1. 병렬 저항연결과 다이오드와 저항의 직렬 연결의 입출력 특성
사진 3. 문제 1 회로
절차 1. 입력전압이 음의 전압부터 문턱전압 이전까지의 전압이 인가된 경우
사진 4. 다이오드의 전원은 꺼짐
사진 4에선 다이오드의 전원이 꺼져있어 스위치가 꺼져있음으로 전류가 흐르지 못하는 상태가 되어 개방회로가 된다.
다이오드를 키려면 V_D,on이 되어야 하는데 입력전압이 해당 다이오드 전압까지 도달하지 못했기 때문이다.
D1과 R2는 개방회로임으로 없어져 R1만 존재하게 되어 출력전압은 결국 입력 전압과 동일한 상태가 되어버리기 때문에 다이오드가 켜지기 전까지 입력과 출력전압의 비는 1(기울기를 의미)이 된다.
절차 2. 입력전압과 다이오드의 문턱전압 같은 경우
스위치가 닫히며 다이오드의 전류가 접지방향으로 흐르게 된다. 사진 5 참조
사진 5. 스위치가 닫혔다!!
KCL을 출력전압, R1 R2사이에 있는 노드에 적용 시키면 아래와 같다. (규칙 1에서 전류는 0에 가까운 것을 참고)
식 1
식 1을 정리하여 Vin 변화에 따른 출력 전압의 결과로 식을 다시 쓰게 되면 아래와 같다.
식 2
입력전압과 다이오드 문턱전압이 같으므로 V_D,on=Vin 이므로 출력전압은 V_D,on임을 알 수 있다.
절차 3. 입력 전압이 다이오드의 문턱 전압보다 높은경우
입력전압이 문턱전압보다 높은 경우 다이오드는 이상적인 모델과 동일하게 하나의 스위치로 동작이 되며 전류를 흘리게 됨을 알 수 있다.
식 2을 통해서 다이오드의 일정 전압은 상수임을 기억하고, 입력전압이 변하면 출력 전압이 변함을 인지하자.
사진 6. 절차3의 회로의 형태(스위치에 V_D,on이 포함되어 있다)
출력전압은 R2에 걸리는 저항임으로 전압 분배법칙을 통해 나온 값이 출력 전압이 되며 이에 대한 입출력 특성은 아래와 같다.
사진 7. 입출력 특성
문제 2. 다이오드와 저항의 병렬 연결
사진 8. (좌) 문제 2 회로 (우) 다이오드 Turn off 상태의 회로
절차 1. 입력전압이 음의 전압부터 문턱전압 이전까지의 전압이 인가된 경우
다이오드가 동작 이전에는 개방회로가 되어 출력 전압은 R2에 걸리는 전압이다.
식 3
절차 2. 입력전압과 다이오드의 문턱전압 같은 경우
R2와 다이오드의 연결은 병렬이므로 출력 전압은 R2에 걸리는 전압임을 알 수 있음으로 식 4와같이 표현이 가능하다.
식 4
절차 2를 통해 다이오드가 켜지는 시점은 R2에 걸린 전압이 다이오드 문턱전압과 같아지는 시점에서 켜짐을 알 수 있다.
절차 3. 입력 전압이 다이오드의 문턱 전압보다 높은경우
출력 전압은 V_D,on 이기 때문에 출력 전압은 문턱전압 만큼의 일정 전압을 가진다 Vin이 증가하여도 다이오드는 스위치와 전압원으로 구성되어 있기 때문에 출력 전압의 변화는 문턱전압만큼의 전압만 유지한다.
따라서 입출력 특성은 아래와 같다.
사진 9. 절차 3의 회로 표현과 입출력 특성
문제 3. 다이오드와 저항의 병렬 연결
사진 10. 문제 2 회로
문제 3의 회로는 노드 X의 전압이 결국 출력 전압을 의미하게 된다. (디지털멀티미터기로 해당 전압을 측정할때로 생각하면 된다)
절차 1. 입력전압이 음의 전압부터 문턱전압 이전까지의 전압이 인가된 경우
앞서 다룬 문제들과 다르게 문제 3의 다이오드는 반대의 방향으로 연결되어 있음으로 전원이 켜져있는 상태이다.
사진 11과 같이 공통으로된 노드를 묶고 KVL을 적용하면 Vx=Vout의 전압을 알 수 있다.
회로이론 기초에서 병렬 저항 조합의 전압은 같음을 알고 있으니 R2에 걸리는 전압은 다이오드의 일정 전압 모델의 값과 동일함을 기억하라.
다이오드의 전압은 상수이고 Vin의 증가는 1차 함수이니 기울기가 1인 출력전압의 상승이 있음을 알 수 있다.
사진 2
계산 오류가 있음을 알려드립니다. 사진 2에서 KVL을 적용할 경우 아래와 같이 계산이 됩니다.
(하도미님 감사합니다.)
오류 정정
절차 2. 입력전압과 다이오드의 문턱전압 같은 경우
규칙 1을 다시 상기해보자 꺼짐과 켜짐의 경계상태는 다이오드의 전류는 대략 0이다.
그러면 전류 0의 의미는 다이오드쪽의 가지(branch)가 개방회로가 되니 R1과 R2는 직렬연결된 폐회로가 되며, 이 둘의 전류는 같게 된다.
사진 12. 절자 2의 설명
같은 전류를 계산하기 위해 R1 R2의 전류를 구한다
식 5
이 둘이 같으면 아래와 같은 계산 절차로 진행된다.
식 6
Vin에 대해 계산하면 식 7과 같이 되며 꺼짐과 켜짐의 경계에서의 입력 전압의 위치를 알 수 있다.
식 7
절차 3. 입력 전압이 다이오드의 문턱 전압보다 높은경우
다이오드는 개방회로가 되며 출력전압은 R1에 걸리는 전압으로 계산하면 해당 기울기를 알 수 있다.
사진 13. 개방회로와 입출력특성
문제 4. 다이오드(D1)와 저항의 직렬과 배터리와 다이오드(D2) 이 둘의 병렬 조합
사진 14. 문제 4의 회로
문제 4는 두 개의 다이오드를 사용함으로써 각 구간에 대해 알아야 한다.
절차 1. 입력전압이 음의 전압부터 D1의 문턱전압 이전까지의 전압이 인가된 경우
입력전압에 – 무한대가 D2와 VB는 동작이 되지 않기 때문에 개방회로가 되어 하나의 폐루프가 만들어진다.
사진 15. 절차 1에 대한 회로
개방회로를 제외하고 전체 회로는 사진 16과 같이 표현이 가능하다.
R1과 R2는 직렬연결이 되고, Vout 즉 출력 전압은 디지털 멀티미터로 전압을 측정하는 원리와 같아짐으로 전압 분배법칙을 사용하면 알 수 있게 된다.
전압 분배법칙은 직렬저항의 합 나누기 원하는 저항과 총 입력전압을 곱하면 되는데 출력 전압은 식 8을 참고하라
사진 16 절차 1 해석
식 8 출력 전압
절차 2. D1이 꺼지는구간(D2는 아직 켜져있지 않은 상태)
각각 다이오드(D1,D2)는 서로 반대의 방향을 보고 있다 따라서 둘 다 꺼지는 구간이 있다는 의미이다.
절차 1에서 Vin은 음수이고 D1은 입력 전압은 음수에서 켜진다는 것을 기억하고, 꺼지는 구간을 생각 할 때 규칙 1을 상기하여 Vin과 V_D1,on이 같은 값이 되었을 때를 생각하면 식 8의 출력 전압은 0이 된다.
회로를 보았을 때 입력 전압원과 출력 전압은 서로 연결되어 있지 않다는 의미이다. 사진 14에서 R2의 노드와 다이오드가 있는 가지(Branch)에 있는 노드 사이의 선이 점선으로 되어있는 것도 그 이유에서이다.
절차 3. D2이 켜지는 구간(D2는 계속 꺼져있다.)
둘 다 전원이 꺼져있는 구간에서 D1이 언제 켜져야 하는지도 알아야 한다.
다이오드의 캐소드에 (+)의 배터리 단자가 연결이 되어있고 다이오드가 순방향으로 동작하려면
위 값 만큼의 전압이 입력전압에서 인가되어야 함을 알 수 있다.
사진 17. D2의 동작 영역의 이동
D2가 켜졌다면 다이오드는 일정 전압 모델이므로 KVL을 적용시키면 식 9와 같다.
사진 18. D2가 켜졌을 때의 회로
식 9
결과적으로 문제 4의 입출력 그래프는 사진 19와 같다
사진 19. 입출력 특성
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[다이오드] 다이오드의 특성과 종류
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안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.
오늘은 지난시간에 이어 다이오드에 대해 공부해보도록 하겠습니다.
다이오드의 전기적인 특성과 종류에 대해 알아볼건데요.
다이오드의 종류가 정말 다양하다는 것을 공부하면서 알게되었네요. ㅎㅎ
시작해보겠습니다.
4. 다이오드의 전기적 특성
문턱 전압
문턱전압 이상의 전압이 걸려야 전류가 흐르게 됩니다.
역방향 전류
이상적인 다이오드는 역방향 전압이 인가되어도 전류가 흐르지 않지만
실제 다이오드는 미세한 역방향 전류가 흐릅니다.
항복 전압 (breakdown voltage)
다이오드는 역방향으로 차단할 수 있는 전압이 한계가 있으며
이를 항복 전압이라고 합니다.
항복 전압을 넘어서면 더이상 전류를 차단 하지 못하고
역방향으로 전류를 흐르게 됩니다.
5. 다이오드의 종류
정류 다이오드
전원부의 일차측 등 정류 작용을 할 때 사용합니다.
스위칭 다이오드
스위칭 기능을 담당하는 다이오드입니다.
역회복 시간이 짧아서 다른 다이오드에 비해 스위치 특성이 우수합니다.
*역 회복 시간 : 다이오드가 On에서 완전한 Off상태가 되기 까지 걸리는 시간입니다.
일반적으로 Off시, 전자는 갑작스럽게 멈출 수 없으므로 일정량 정도의 전류가 역방향으로 흐르게 됩니다.
제너 다이오드
정전압 다이오드라고 불리며, 정전압이나 기준전원을 얻기 위해서 사용되는 소자입니다.
일반 다이오드와 달리 역방향으로 전압을 걸어 사용하게 됩니다.
일반적인 다이오드와 유사하나 낮고 일정한 항복 전압 특성을 갖고 있습니다.
다이오드에 흐르는 전류가 급격히 증가해도 단자 전압은 거의 일정하게 됩니다.
포토 다이오드
빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 소자입니다.
PN다이오드가 빛을 받으면 빛 에너지를 흡수하여 전자를 들뜨게 하며
역방향전압에서도 전류를 흐르게 할 수 있습니다.
LED의 원리를 반대로 이용한 것입니다.
발광 다이오드(LED)
(Light Emitting Didoe)
순방향으로 전압을 가했을 때 빛과 열이 나는 특성이 있습니다.
브릿지 다이오드
브릿지 다이오드
교류 전압을 전파정류 시키는 용도의 다이오드입니다.
4개의 다이오드를 연결한 브릿지 회로로, 어떠한 극성 전압이 입력되더라도
동일한 극성 전압을 출력하게 됩니다.
일반적으로는 교류 입력을 직류 입력으로 변경할 때 사용합니다.
TVS 다이오드
(Transient Voltage Suppressor)
일시적인 과전압(Surge, Spike)등을 흡수하여 회로를 보호하는 소자입니다.
양단에 순간적으로 높은 에너지 충격을 받으면 양단 사이의 임피던스가
고 임피던스에서 저 임피던스로 엄청 빠른 속도로 변경됩니다.
이는 순간적인 과전압에 대한 보호를 해주는 것으로, 지속적인 과전압은 보호할 수 없습니다.
*Transient(과도) 란 : 회로를 손상시킬 수 있는 전압 또는 전류의 짧은 스파이크
쇼트키 다이오드
금속과 반도체를 결합한 다이오드 입니다.
N형 반도체에 P형 대신 금속을 사용하여 이 결합으로 생긴 문턱전압이
일반다이오드 보다 절반 정도 낮습니다.
쇼트키 다이오드는 역방향에서 순방향으로 전환할 때, PN접합 보다 빠른 전환이 가능한데요.
역회복시간이 짧아서 저전압, 고속 정류등의 빠른 스위치와 정류 등에 많이 사용합니다.
오늘까지 다이오드에 대해 알아보았는데요.
조금 더 자세히 공부하고자 하면 더 어려운 내용들이 있는데,
기초와 실무에서 회로 설계 시 실질적으로 알아야 하는 부분들을 위주로 다뤄보았습니다.
나중에 기회가 되면 더 자세한 내용들을 다뤄보도록 할게요
다음 시간부터는 OP-AMP에 대해 공부해 보도록 하겠습니다.
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【회로이론】 7강. 다이오드
7강. 다이오드(diode)
추천글 : 【회로이론】 회로이론 목차
a. 다이오드 실험
1. (참고) 반도체
⑴ 밴드갭 이론(band-gap theory)
① 정의 : 자유입자가 아닌 구속된 원자에 대한 퍼텐셜 에너지를 분석하는 이론
② 에너지 밴드의 분류
○ 에너지 밴드(energy band) : 해가 존재하는 연속구간
○ 금지대역 밴드갭(금지대, forbidden band) : 해가 존재하지 않는 연속구간
○ 에너지 갭(energy gap) : 가전자를 자유전자로 만들기 위한 에너지
○ 에너지 밴드는 다시 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)로 구분
③ 자유전자(전도전자, free electron, conduction electron)와 양공(hole)
○ 자유전자 : 원자가전자가 에너지를 얻고 공유결합이 파괴된 후 자유롭게 움직이게 된 것
○ 양공 : 원래 전자가 있던 자리가 빈 자리가 된 것
④ 에너지 갭의 크기가 전기전도도 및 비저항을 결정
Figure. 1. 부도체, 반도체, 도체의 에너지 밴드
○ 도체 : 가전자대와 전도대가 겹쳐 있음
○ 상온에서 원자 사이를 자유롭게 이동할 수 있는 전자들이 많음
○ 예 1. 은의 비저항은 ρ = 1.59 × 10-6 Ω·cm
○ 예 2. 구리의 비저항은 ρ = 1.67 × 10-6 Ω·cm
○ 반도체 : 밴드갭이 작음
○ 예 1. 게르마늄의 비저항은 ρ = 50 Ω·cm
○ 예 2. 실리콘의 비저항은 ρ = 250,000 Ω·cm
○ 부도체 : 밴드갭이 큼
○ 예 1. 다이아몬드의 비저항은 ρ = 1012 Ω·cm
○ 예 2. 운모의 비저항은 ρ = 9 × 1012 Ω·cm
⑵ 순수 반도체(진성 반도체, intrinsic semiconductor) : Si, Ge 등 최외각 전자가 4개인 원소의 순수 결정으로 이루어진 반도체
① 실리콘 결정
○ 실리콘 단위 셀은 입방체 모양. 한 변은 5.43 Å
○ 각 실리콘 원자는 4개의 실리콘 원자와 이웃해 있음
② 온도 증가 → 엔트로피 증가 → 자유전자 및 양공 발생
○ 자유전자의 수 = 양공의 수
○ 300 K에서 실리콘의 전자농도 n i = 1.5 × 1010 cm-3 (작은 편)
③ 온도에 따른 저항 변화
Figure. 2. 온도에 따른 도체, 반도체, 부도체의 저항 변화
○ 도체 : 온도 증가 → 원자들의 진동 증가 → 저항 증가
○ 반도체 : 온도 증가 → 자유전자 및 양공 증가 → 저항 감소
○ 부도체 : 온도 증가 → 전자들이 원자에서 분리 → 저항 감소
○ (참고) 반도체, 부도체에서 원자들의 진동 증가에 따른 저항 증가 효과보다 저항 감소 효과가 더 큼
○ (참고) 반도체를 이용한 컴퓨터 부품 등의 소자는 온도 증가가 과전류 유도 : 냉각 시스템이 필요한 이유
⑶ 불순물 반도체
Figure. 3. 불순물 반도체의 에너지 준위
(가)는 진성반도체, (나)는 N형 반도체, (다)는 P형 반도체임
① 도핑(doping) : 전기 전도도를 높이기 위해 진성 반도체에 불순물을 첨가하는 것
② P형 반도체(positive-type semiconductor) : 14족 원소(Si, Ge) (원자가전자 4개) + 13족 원소(B, Al, Ga, In) (원자가전자 3개)
○ 전도대와 가전자대 사이에 여기전자(excitation electron)를 받아주는 받개 준위(acceptor level)를 생성 (밴드갭 감소)
○ 받개 준위는 원자가띠와 가깝게 존재함
○ P형 반도체의 경우 받개 준위에 기본적으로 전자가 채워져 있음
○ 전도띠의 자유전자의 수보다 원자가띠의 양공의 수가 훨씬 많으므로 주로 양공에 의해 전류가 흐름
○ (참고) N a 는 acceptor의 수를 의미
③ N형 반도체(negative-type semiconductor) : 14족 원소(Si, Ge) (원자가전자 4개) + 15족 원소(P, As, Sb) (원자가전자 5개)
○ 전도대와 가전자대 사이에 여기전자(excitation electron)를 방출시키는 주개 준위(donor level)를 생성 (밴드갭 감소)
○ 주개 준위는 전도띠와 가깝게 존재함
○ 원자가띠의 양공의 수보다 전도띠의 자유전자의 수가 훨씬 많으므로 주로 자유전자에 의해 전류가 흐름
○ (참고) N d 는 donor의 수를 의미
④ (참고) 페르미 준위
○ 정의 : 0 K에서 고체 내의 전자가 가질 수 있는 가장 높은 에너지 준위
○ 이렇게 정의된 페르미 준위는 임의의 온도에서 전자가 채워질 확률이 절반이 됨
○ 페르미-디랙 분포 : 임의의 온도 T에서 에너지 준위 E가 입자에 의해 채워질 확률
○ 도체 : 페르미 준위는 전도띠와 원자가띠의 경계에 위치
○ 부도체, 반도체 : 페르미 준위는 전도띠와 원자가 띠의 중간에 존재
○ P형 반도체 : 받개 준위로 인해 원자가 띠와 가까운 곳에 페르미 준위가 형성
○ N형 반도체 : 주개 준위로 인해 전도 띠와 가까운 곳에 페르미 준위가 형성
⑤ 불순물 반도체에서 전하의 개수
○ 평형상수와의 유사성 (a)
○ 전하균형식 (b)
○ 양공의 개수 (p형 반도체 기준) : (a)와 (b) 연립
○ 일반적으로 다수 캐리어의 농도는 주입한 불순물의 농도와 거의 일치
⑥ 전기전도도
○ 전자 또는 양공의 이동성(mobility)의 단위는 m2/V·s
○ (참고) 점성의 단위는 N·s/m2으로서 이동성의 역수라고 할 수 있음
○ 진성반도체
⑦ 불순물 반도체 소자를 만드는 과정
○ 1st. 뜨거운 열로 규소를 녹여 순도가 높은 액체 상태로 만듦
○ 2nd. 서서히 냉각하면서 소량의 불순물을 혼합
○ 3rd. 원기둥 모양의 단결정 덩어리인 잉곳(ingot)을 형성
○ 4th. 잉곳의 단면을 일정한 두께로 얇게 썰어낸 웨이퍼(wafer)를 형성
⑧ 예제 1. n i = 1015 (1/cm3), N a = 1017 (1/cm3)
⑨ 예제 2. 상온에서 실리콘의 전기전도도
⑩ 예제 3. 상온에서 실리콘 원자 중 107개 중 1개를 인듐으로 도핑한 p형 반도체의 전기전도도
2. 다이오드(diode)
⑴ 정의 : P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 상태
① 애노드(양극, anode) : P형 반도체 영역
② 캐소드(음극, cathode) : N형 반도체 영역
③ 전류는 애노드에서 캐소드 방향으로만 흐름 : 캐소드에서 애노드로 흐르지 않음
④ 공핍영역(depletion region)
Figure. 4. 공핍영역
○ 정의 : PN 접합 부위 근처에서 전자와 양공이 모두 없는 영역
○ 1st. 확산력에 의해 N형 반도체 있는 전자는 P형 반도체로 이동
○ 2nd. 재결합 : 전도띠의 자유전자와 원자가띠의 양공이 만나서 함께 소멸함
○ 3rd. 전자를 잃은 N형 반도체의 원자는 (+)극, 전자를 얻은 P형 반도체의 원자는 (-)극을 띰
○ 4th. 전계력 형성 : 극성을 띤 원자들에 의해 전자들의 추가적인 이동이 억제됨
○ 5th. 확산력과 전계력이 같아지면 평형을 이룸
○ N형 반도체에서 P형 반도체로 전기장이 형성 → 전위차가 발생
○ 평형상태에서의 전기장을 전위장벽, 접촉전위, 빌트인 전압 등으로 불림
○ 일반적인 실리콘 다이오드 문제에서는 0.6 ~ 0.7 V로 가정
○ 공핍영역이 넓을수록 전류의 흐름을 방해함
○ 도핑 농도가 높으면 추가적인 캐리어들을 공핍영역에다가 투척하는 것과 같음 → 공핍영역 좁아짐
⑵ 바이어스(bias) : PN 접합에 전압을 인가한 상태
Figure. 5. 바이어스
① 다수 캐리어는 전류 흐름에 영향을 끼치지 않음. 오직 소수 캐리어가 전류 흐름에 중요
② 순방향 바이어스(forward bias) : 순방향 도통상태. 전류 허용
○ 정의 : 애노드에 (+)극, 캐소드에 (-)극을 가한 상태
○ 1st. 이해 1. 확산력이 강해지는 방향으로 전압이 걸림 : 전위장벽의 전기장과 전지에 의한 전기장이 반대 방향
○ 전지에 의한 전기장은 전지의 (+)극에서 (-)극 방향
○ 전하에 의한 전기장은 (+) 전하에서 (-) 전하 방향
○ 1st. 이해 2. 공핍영역에다가 전자 및 양공을 추가로 이동시켜서 공핍영역이 좁아짐
○ 전지 전압은 P형 반도체에게 양공을 제공 → 양공은 P형 말단에서 PN 접합면으로 이동
○ 전지 전압은 N형 반도체에게 전자를 제공 → 전자는 N형 말단에서 PN 접합면으로 이동
○ 2nd. 공핍영역이 좁아져서 과도한 소수 캐리어, 즉 과도 전자와 과도 양공이 발생
○ 3rd. 과도 전자는 P형 반도체 말단으로 이동. 과도 양공은 N형 반도체 말단으로 이동 (추정)
○ 농도 : 접합면으로 갈수록 소수 캐리어의 농도가 높아짐
○ 4th. 확산전류가 흐름 : 공핍영역이 전류 흐름을 전혀 방해하지 않음
Figure. 6. 순방향 바이어스에서 농도 분포
○ 단, 점선은 평형농도
○ 일부 그림은 접합면에서 공핍층만큼의 틈을 표시하기도 함
○ 순방향 바이어스일 때 항상 전류가 흐르는 것은 아니고 문턱장벽을 이길 수 있는 추가적인 에너지가 필요함
③ 역방향 바이어스(reverse bias) : 역방향 저지상태. 전류 차단
○ 정의 : 애노드에 (-)극, 캐소드에 (+)극을 가한 상태
○ 1st. 이해 1. 확산력이 약해지는 방향으로 전압이 걸림 : 전위장벽의 전기장과 전지에 의한 전기장이 같은 방향
○ 전지에 의한 전기장은 전지의 (+)극에서 (-)극 방향
○ 전하에 의한 전기장은 (+) 전하에서 (-) 전하 방향
○ 1st. 이해 2. 공핍영역에다가 전자 및 양공을 추가로 이동시켜서 공핍영역이 넓어짐
○ 회로 전압은 P형 반도체에게 전자를 제공
○ 회로 전압은 N형 반도체에게 양공을 제공
○ 결과적으로 공핍영역이 넓어짐
○ 1st. 이해 3. 전지 전압은 전자를 N형 말단으로, 양공은 P형 말단으로 이동시킴
○ 2nd. 공핍영역이 넓어짐
○ 3rd. 전류가 흐르지 않음
○ 농도 : 소수 캐리어가 공핍 영역 근처에서 양이 부족함 → 전류가 흐르지 않음
Figure. 7. 역방향 바이어스에서 농도 분포
○ 단, 점선은 평형농도
○ 일부 그림은 접합면에서 공핍층만큼의 틈을 표시하기도 함
⑶ 다이오드의 전류-전압 특성
① 실제 다이오드
○ 이상적인 다이오드
○ 순방향(P형 → N형 전류)으로는 무저항의 전선과 같음
○ 역방향(N형 → P형 전류)으로는 모든 전류를 차단
○ 일반적으로 이상적인 다이오드는 속을 채운 다이오드로 표현
○ 일반적으로 실제 다이오드는 속을 비운 다이오드로 표현
○ 실제 다이오드의 전류-전압 특성 : 가로축은 다이오드 전압 V D , 세로축은 다이오드 전류 I D
Figure. 8. 실제 다이오드의 전류-전압 특성
② 문턱전압(turn-on voltage) : V F 로 표시
○ 정의 : 전위장벽을 넘지 못하는 전압에서 전류는 흐르지만 크기가 작음. 다이오드가 큰 저항처럼 작용
○ Shockley 다이오드 모델
○ 페르미-디락 분포 함수(Fermi-Dirac’s distribution function)에서 유도
○ 실제 다이오드의 특성곡선은 지수함수로 주어짐
○ 열 전압(thermal voltage)은 일반적으로 0.025 V 정도
○ 일반적으로 문턱전압은 0.6 ~ 1 V 정도
○ 규소 접합의 문턱전압 : 0.7 V
○ 게르마늄 접합의 문턱전압 : 0.3 V
○ 반도체 레이저에 쓰이는 비소화 갈륨 접합의 문턱전압 : 1.6 V
○ (주석) 문턱전압과 열 전압은 관계 없음
○ 정전압 특성곡선 : 문턱전압만 반영하고 나머지는 이상적인 다이오드와 같이 해석하는 것
○ 정전압 특성곡선과 부하선(loadline)이 주어지면 동작점을 알 수 있음
Figure. 9. 정전압 특성곡선과 부하선의 연립방정식
(예 : V = 1, R = 1, a = 0.25, b = 1, v D = 0.5, i D = 0.4)
○ 정전압 특성곡선 문제에서 등가회로
Figure. 10. 정전압 특성곡선 문제에서 등가회로
○ 전류-전압 특성곡선과 정전압 특성곡선은 다른 말임
○ incremental method(small signal method) : 작용점 (VD, ID)에 대해 미소 변동구간에서 다이오드는 한 개의 저항으로 간주할 수 있음
Figure. 11. 다이오드가 유사저항으로 간주되는 경우
③ 항복전압(정격전압, breakdown voltage)
○ 정의 : 다이오드가 견딜 수 있는 최대 역전압
○ 전자 사태 항복(avalanche breakdown)
○ 기본적으로 실제 다이오드는 역방향 전압에 대해 아주 작은 누설전류(수십 mA)가 흐름
○ 이유 : P형 반도체에 전자가, N형 반도체에 양공이 소수캐리어로서 존재하기 때문
○ 1st. 공핍 영역에 진입한 전자가 역방향 바이어스에 의해 강해진 전계력으로 충분한 운동에너지를 얻음
○ 2nd. 그 전자는 결합상태의 전자-양공과 충돌하여 분리시킴
○ 3rd. 분리된 전자는 다시 연쇄작용을 일으킴
○ 4th. 결과적으로 공핍 영역 전체를 무효화시킴 → 전류 흐름
○ 전자 사태 항복으로 항복당한 다이오드는 고장남
○ 순방향 바이어스일 때 공핍영역이라도 있으므로 다이오드의 저항 효과가 나타남 : 비선형
○ 전자 사태 항복이 일어나면 공핍 영역이 제거된 효과로서 다이오드가 전선과 다름 없어짐 : 정전압 특성
○ (주석) 접합파괴는 다이오드를 하나의 역전압 전지로 생각해도 될 듯
○ 제너 항복(Zener breakdown)
○ 도핑 농도가 높은 반도체를 접합 → 확산력 증가 → 공핍 영역 감소 → 양자 터널링 빈발 → 전류 흐름
○ 1st. P측 가전자대에 위치한 전자의 에너지가 N측 전도대에 위치한 전자보다 높은 상태
○ 2nd. 직접 이동할 수 있을 정도로 충분한 역방향 전압이 인가되면 전류 발생 (양자 터널링)
④ 정격전류
○ 정의 : 다이오드가 파괴되지 않고 순방향으로 통과시킬 수 있는 전류의 최대값
○ 다이오드는 반드시 직렬로 연결된 저항을 동반해야 함 (과전류 방지 목적)
⑷ 특수 다이오드
① 제너 다이오드(Zener diode)
○ 정의 : 제너 항복이 일어났을 때 정전압이 형성되는 것을 이용하기 위한 소자
Figure. 12. 제너 다이오드와 제너 항복
○ 순방향 바이어스는 문턱 전압이 일정하고 전류-전압 특성이 비선형
○ 역방향 바이어스는 도핑에 의해 항복전압이 바뀌고 전류-전압 특성이 정전압 특성
○ 제너 다이오드는 항복에 대한 내구성은 강화되었지만 과전류는 여전히 방지해야 함
○ 전압 조정기 회로 예제
○ 전략 : 우선 제너 다이오드가 없다고 가정
Figure. 13. 전압 조정기 회로 예제
○ R L = 1.2 kΩ인 경우
○ R L = 4 kΩ인 경우
② 발광 다이오드(LED, light emitting diode)
○ 순방향 바이어스를 가하면 접합 부근에서 캐리어들의 재결합에 의해 발광
Figure. 14. LED의 원리
A는 p형 반도체이고 B는 n형 반도체임
○ (참고) N형 반도체는 P형 반도체보다 에너지 준위가 낮지만 N형의 전도띠는 P형의 원자가띠보다 높음
○ 발광 다이오드는 밴드갭의 크기에 해당하는 빛을 방출
○ (주석) 재결합한 상태가 모종의 이유로 풀리기도 하니까 재결합이 계속 일어나서 LED가 지속적으로 빛을 발광함
○ (참고) 대부분의 다이오드는 빛이 아니라 열로 전환
○ 규소 (Si) 반도체, 게르마늄 (Ge) 반도체 : 빛이 아니라 열로 전환
○ 비소화 갈륨 (GaAs) 반도체, 인화 갈륨 (GaP) 반도체 : 빛이 방출
○ 효율이 높은 편 : 최고 90%까지 에너지 절감 가능
③ 광 다이오드
○ 정의 : 빛 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 전환하는 소자
○ 역방향 바이어스 회로
○ 빛 에너지가 공핍 영역에 닿으면 전자-양공 쌍이 생성되어 전류가 흐르는 원리. 유사 광전효과
○ 즉, p형 반도체에 있는 전자가 n형 반도체의 전도띠로 전이하여 양공과 자유전자가 동시에 발생함
○ 센서 역할 : 광전류는 역바이어스 전압에 의존하지 않고 빛의 양에만 비례함 (∵ 광전효과도 전자 수가 빛의 양에 비례)
○ 빛의 감도를 좋게 하려면 공핍 영역을 증가시켜야 함 (즉, 역치를 높임)
○ (참고) 암전류 : 빛을 인가하지 않아도 흐르는 전류
○ 예 1. CD 플레이어, 화재경보기, 리모컨 수신부
○ 예 2. 태양 전지
Figure. 15. 태양 전지의 회로
ⓐ : 전자의 방향, ⓑ : 전류의 방향, X는 n형 반도체
○ 예 3. 디지털 카메라의 이미지 센서 (CCD)
Figure. 16. 디지털 카메라의 이미지 센서
○ 빛의 경로 : 렌즈 → CCD → 전류 신호로 변환 → 감지된 빛은 세기와 위치에 따라 밝기, 색상, 좌표 정보를 추출
○ 가시광선에서 동작해야 하므로 문턱 진동수는 가시광선보다 작아야 함
○ 예 4. pn 포토다이오드, pin 포토다이오드, 애벌랜치 포토다이오드, 포토트랜지스터, PSD, 1차원·2차원 어레이
3. 정류기(rectifier)
⑴ 정류 : 교류 전압을 직류로 전환하는 과정
⑵ 반파 정류회로(half-wave rectifier circuit)
① 회로도
Figure. 17. 이상적 다이오드에 대한 반파정류 회로와 부하전압 곡선
○ 순방향 바이어스의 경우 다이오드의 저항은 0이므로 전원의 전압이 그대로 부하에 전달
○ 역방향 바이어스의 경우 다이오드의 저항은 ∞이므로 전원의 전압은 0
② 실제 다이오드
Figure. 18. 실제 다이오드에 대한 반파정류 회로와 부하전압 곡선
○ 실제 다이오드는 이상적 다이오드와 역방향 바이어스로 연결된 정전압으로 간주할 수 있음
○ 전원전압은 위 정전압 V d 만큼 아래로 평행이동한 것으로 간주할 수 있음
○ 부하전압은 그 중 양의 부분만 취한 것으로 간주할 수 있음
② 커패시터를 사용한 반파 정류회로
Figure. 19. 커패시터를 사용한 반파 정류회로 회로도
Figure. 20. 커패시터를 사용한 반파 정류회로
○ 구간 1. 0 ~ ¼ T
○ 커패시터는 전원 전압에 따라 충분히 빠르게 충전된다고 가정
○ 시간상수는 RC이므로 위와 같은 가정은 C가 작다는 가정과 동일함
○ C = ∞은 전선을 의미하고 C = 0은 개방을 의미
○ C가 0이 아닌 이상 실제로는 커패시터 전압이 전원 전압을 완벽하게 따라가지는 못함
○ 구간 2. ¼ T ~
○ 전원 전압이 커패시터 전압보다 낮으므로 커패시터는 방전을 시작
○ 위와 같은 방전은 지수를 함수를 그리고 전원 전압보다 감소하는 추세가 작음
○ 부하 저항이 커야 방전이 덜 됨 → 더 평탄화됨
○ 구간 3. ~ ¾ T
○ 감소하는 커패시터 전압과 다시 상승하는 전원 전압이 만나기 시작
○ 만나고 난 후 전원 전압을 따라서 커패시터 전압이 상승하기 시작
○ 구간 4. ¾ T ~
○ 전원 전압은 커패시터 전압보다 빠르게 감소
○ 커패시터 전압은 방전을 시작하고 지수함수를 따라 감소
○ 결론 : 커패시터의 존재는 전압 곡선을 평평하게 함
⑶ 전파 정류회로(full-wave rectifier circuit)
① 반파 정류회로의 단점
○ 반파 정류회로는 차단되는 전류가 많음
○ 반파 정류회로에서 커패시터가 방전되는 시간이 긺
② 전파 정류회로 : 모든 입력 에너지를 활용할 수 있게 만든 것
③ 종류 1. 브릿지 전파 정류회로(bridge full-wave rectifier circuit) : 다이오드 4개 사용
○ 회로도
Figure. 21. 회로도
○ 이상적 다이오드로 구성된 회로에 비해 문턱 전압의 두 배만큼 강하됨
○ 저항에 커패시터를 병렬로 연결하면 반파 정류회로보다 더 평활화된 출력을 얻을 수 있음
Figure. 22. 브릿지 전파 정류회로의 부하전압
④ 종류 2. 중간탭 전파 정류회로(center-tap full-wave rectifier circuit) : 다이오드 2개 사용
○ 회로도
Figure. 23. 중간탭 전파 정류회로 회로도
○ 커패시터를 사용한 중간탭 전파 정류회로
Figure. 24. 커패시터를 사용한 중간탭 전파 정류회로
⑷ 클리핑 회로(리미팅 회로, clipper circuit, limitting circuit) : 저항과 다이오드의 분배
① 정의 : 입력 전압이 특정 값을 초과하지 않도록 잘라내는 회로
Figure. 25. 클리핑 회로
○ 경우 1. V OUT ＜ V BIAS + 0.7 : V OUT = V IN (∵ 역방향 바이어스)
○ 경우 2. V OUT ＞ V BIAS + 0.7 : V OUT = V BIAS + 0.7 (∵ 순방향 바이어스)
○ 논리적 순서를 바꾸어서 V OUT 에 대해서 경우를 나누어서 분석해야 함
○ 0.7 V는 문턱전압을 표시하고 있음
② 양방향 동시 제어도 가능
Figure. 26. 클리핑 회로의 양방향 동시 제어
○ 경우 1. V OUT ＜ -6 – 0.7 : V OUT = -6 – 0.7 = -6.7
○ 경우 2. -6 – 0.7 ＜ V OUT ＜ 4 + 0.7 : V OUT = V IN
○ 경우 3. V OUT ＞ 4 + 0.7 : V OUT = 4.7
⑸ 클램핑 회로(clamper circuit) : 커패시터와 다이오드의 분배
① 정의 : 입력 신호의 파형을 변화시키지 않고 일정한 레벨로 이동시키는 회로
② 회로도
Figure. 27. 클램핑 회로
○ 좌측 상단의 전위는 입력 전압, 우측 상단의 전위는 출력 전압임
○ 가정 1. R = ∞ : 그럼에도 충분히 큰 저항을 다이오드와 병렬연결하는 것은 현실적인 이유가 있기 때문으로 추정
○ 가정 2. C가 충분히 큼 : 커패시터는 시간상수가 커서 전압이 잘 변하지 않음. 제2의 전원처럼 기능
○ 회로를 해석할 때는 평형상태를 기준으로 생각해야 함
○ 평형상태에서 커패시터는 최대 전압에 해당하는 전원으로 간주
○ negative clamper : 다이오드의 P형 반도체가 출력전위, N형 반도체가 접지인 경우. 위 그림이 해당
○ 1번 경우는 구간이 아니라 포인트에 대해서만 성립하기 때문에 2번 경우와 차이가 있음
○ 그럼에도 1번 경우가 중요한 이유는 V C, constant 를 도출해 주기 때문
○ 모든 클램핑 회로는 위와 같이 경우의 수 접근을 통해 풀 수 있음
○ positive clamper : 다이오드의 N형 반도체가 출력전위, P형 반도체가 접지인 경우
○ 위 그림에서 다이오드를 뒤집은 상황을 고려 : 입력전압은 동일
○ 모든 클램핑 회로는 위와 같이 경우의 수 접근을 통해 풀 수 있음
○ 커패시터가 완전히 충전된 후에야 주어진 회로가 입력 신호를 클램핑하는 회로로 정상 작동함
Figure. 28. 커패시터 충전 여부와 클램핑 회로
○ (참고) 실제로는 클램핑 회로를 구현하는 것은 굉장히 어려움
4. 실제 정류기
입력 : 2018.01.27 08:55
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다이오드의 원리
다이오드의 원리, pn 접합, depletion, 한 방향으로만 전류가 흐르는 이유
다이오드는 한 방향의 전류만 흐를 수 있게 해주는 장치이다. 건전지를 도선에 연결하고 도선에 다이오드를 연결하는 방향에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않거나가 결정된다. 다이오드는 두가지 종류의 반도체를 접합하여 만든다. 하나는 p형 반도체, 하나는 n형 반도체이다. 우선 반도체란 도체와 부도체의 중간 성질을 가지는 물질로서 전압에 따라 전류가 흐르기도 하고 흐르지 않기도 하는 속성을 가지고 있다. 대표적인 물질로 실리콘이 있다. p형 과 n형 반도체는 반도체에 전도성을 더 크게 하기 위하여 최외각 전자가 순수 반도체 원자보다 한개 적거나(p형) 많은(n형) 물질을 섞은 것이다. 이렇게 불순물(최외각 전자수가 다른 원소)을 첨가하는 것을 도핑이라고 한다. 도핑을 하게 되면 공유결합을 하지 않고 한 전자가 남거나(n형) 공유결합 자리가 하나 비어있게 된다(p형). 빈 자리를 정공이라고 하며 플러스 전하로 취급할 수 있다.
정공을 생각하는 방법. 정공은 전자가 없는 자리이다. 이때 정공에 가상의 전자를 집어 넣고 가상의 플러스 전자가 자유롭게 있는 것으로 취급한다.
즉 정공(0)=전자(-)+양전자(+) 가 된다. 이렇게 하면 정공을 왜 플러스 전하와 다를 것 없게 취급하는 지를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 놓은 것이다. p형 반도체안에는 정공이 자유롭게 마구 움직이고 있을 것이고 n형 반도체 안에는 자유전자가 마구 움직이고 있다. 확산의 원리와 엔트로피의 원리에 의해서 전자와 정공은 섞일 수 밖에 없다. 확률적으로 한쪽에는 정공만 한쪽에는 전자만 딱 나뉘어서 존재할 수 없기 때문이다. 그 섞임은 바로 p형 반도체와 n형 반도체의 접합부에서 일어나게 된다. 전자와 정공이 섞이면 결국 서로 상쇄되어 사라진다. 그러면 접합부 주변에는 정공도 없고 전자도 없는 구역이 형성되는데 이것을 depletion이라고 한다. p형 반도체는 정공이 있을때 중성이었다. 그런데 정공이 없어졌으니 접합부위는 음의 전하를 띠게 될 것이다. 마찬가지로 n형 반도체의 접합부는 전자가 없어졌으니 양전하를 띠게 된다. 그래서 접합부에서는 n형 반도체에서 p형 반도체로의 전기장이 형성된다.
다이오드에 p형 반도체에 플러스 전압을 걸고 n형 반도체에 마이너스 전압을 걸게 되면 p형 반도체의 정공들은 접합부로 가게 되고 마찬가지로 n형 반도체의 전자도 접합부로 밀리게 될 것이다. 그런데 아까 말했듯이 접합부에 생긴 전기장이 형성되어 있는데 이 전기장의 방향은 지금 걸어준 전압의 방향과 반대이므로 전류는 흐르지 않게 된다. 전류의 흐름을 방해하는 문턱으로 작용하는 것이다. 이때 전압을 더 크게 걸어주면 전류가 흐르게 된다. 이것이 다이오드에서 일정이상의 정방향 전압이 걸려야 전류가 흐르기 시작하는 이유이다.
다이오드에 반대 방향으로 전압을 걸면 왜 전류가 흐르지 않는 것인가? 반대방향으로 전압을 건 경우를 생각해보자. p형 반도체의 정공은 접합부에서 멀어지려 하고 마찬가지로 n형 반도체의 전자도 접합부에서 멀어지려 한다. 이때 생기는 의문은 접합부에서 p형 반도체의 전자가 n형 반도체로 전자를 공급해주면서 p형 반도체에 정공을 형성하게 되며 전류가 흐를 수 있지 않을까 하는 것이다.
여기서 고려되어야 할게 바로 전자의 에너지 준위이다. 전자는 원자에서 원자핵에 대한 위치에너지를 가지는 에너지 준위를 가지고 있다 쉽게 생각해 원자핵과 전자는 서로 당기므로 멀어지기 위해서 에너지가 투입되어야 하므로 원자핵에서 전자가 멀 수록 에너지 준위가 높다고 할 수 있다. 이때 정공과 자유전자의 에너지 준위 차이를 고려해 주어야 한다. 반도체에서 정공은 공유결합을 하는 전자들의 에너지 준위를 가지고 있고 자유 전자는 그보다 높은 에너지 준위를 가지고 있다. 공유결합을 다 하고 거기에 전자가 하나 더 쌓여야 자유전자가 되는 것을 생각해보라. 자유전자는 정공보다 높은 에너지 준위를 가진다. 정공과 자유전자의 결합을 생각해보자. 그것은 자유전자가 공유결합의 에너지 준위로 낮아지는 것을 의미한다. 정방향의 전압이 걸렸을 때는 전자의 에너지 준위가 낮아지는 자연스런 방향으로 전자가 이동하므로 전류가 흐를 수 있는 것이다. 하지만 역방향 전압이 걸린 경우는 p형 반도체에서 공유결합 위치의 전자가 n형 반도체로 이동하면서 더 높은 자유전자 에너지 준위가 되어야 하는 것이다. 이렇게 되기 위해선 에너지가 필요하다. 그 에너지는 전압이 될 수 있다. 그런데도 전류가 흐르지 않는 이유는 전류가 흐르고 에너지 준위를 높이는 것보다 p형 반도체 정공에 점점 정공이 쌓이면서 depletion이 넓어지는 것이 더 쉽기 때문이다. 그런데도 계속 전압을 높여주다 보면 결국 전류가 흐르게 된다고 한다. 하지만 그때는 발열이 심해 다이오드가 손상될 것이다.
다이오드에 정방향 전압을 걸면 자유전자는 정공으로 가면서 에너지 준위가 낮아지게 된다. 그러면 그 에너지는 어디로 가는가? 이 에너지를 활용한 것이 LED이다. 에너지 준위가 낮아지면 빛이 방출되는데 그것이 LED의 원리이다. 반대의 경우가 태양광 발전이다. 역방향 전압을 걸면 에너지 준위를 역행해야 하기 때문에 전류가 흐르지 않았는데 빛이 전자에 들어가게 되면 전자의 에너지 준위가 높아지면서 전자는 자유전자 에너지 준위로 이동하고 p형 반도체에 정공을 생성하고 n형 반도체에 자유 전자를 공급한다. 즉 다이오드에 빛을 가하면 n에서 p방향으로(평소의 역방향) 전류가 흐르게 되는 것이다.
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