[반도체] 다이오드

능동소자는 도체와 부도체의 중간 정도의 물질로 이루어져 있다. 

특정조건으로 전자의 흐름을 제어할 수 있는 반도체 물질의 특성을 이용하여 만든 소자를 반도체소자 라고함

1. 다이오드의 PN접합

반도체 성질을 확실하게 알 필요는 없다고 생각되지만, 동작 원리의 기초가 되므로 짚고 넘어가자면...

P형 (Positive) : 순수 반도체에 붕소등의 분술물을 투입하여 만든 반도체

N형 (Negative) : 자유전자의 수가 많아지도록 (전류의 흐름을 막을 수 있도록) 인, 비소 등의 분순물을 투입하여 만든 반도체

* P형과 N형의 접합(Junction)으로부터 다이오드, 트랜지스터, MOSFET이 만들어진다.

2.  애노드(Anode), 캐소드(Cathode) = A,K로 표기

- P형 반도체의 전하(A:애노드)가 N형 반도체(K:캐소드)로 이동하기 위해서는 에너지 장벽이 존재하는 이 에너지 장벽을 넘을 수 있는 전압이 필요함. (이 에너지 장벽을 공핍층이라 한다.) 일반적인 다이오드는 이 전압이 0.7V

- 다이오드를 도통하게 되면 다이오드 공핍층에서 전압이 걸리기 때문에 공핍전압만큼의 전압강하가 일어난다.

- 즉, 애노드와 캐소드 사이에는 공핍전압이라는 전기적 특성이 존재한다. (아래에서도 보게되겠지만 공핍전압은 순방향 바이어스 일때만 적용된다)

3.  Forward Bias / Reverse Bias (순방향 바이어스/ 역뱡향 바이어스)

- 그냥 순방향으로 전압을 인가했을 때와, 역뱡향으로 전압을 인가했을때를 일컫는 말로 기억하는편이 좋다.

- 이걸 굳이 어렵게 이야기 하자면 애노드 쪽의 전압이 캐소드 쪽의 전압보다 더 높을 때가 순방향 바이어스,

   반대로 캐소드 쪽의 전압이 애노드 쪽의 전압보다 더 높을 때가 역뱡향 바이어스..(이렇게 해석하면 복잡하고 어려워진       다.)

- 기억할 것은 순방향 바이어스 일때, 순방향 전압 Vf 만큼의 전압강하가 일어나며, 그만큼의 손실전력이 발생된다.

   (손실전력 P = If * Vf)

- 역방향 바이어스 일때는 항복전압(Breakdown) 전압이 존재 하는데 이 항복전압을 초과하게 되면 소자가 파손된다.

   (낮은 항복전압을 이용한것이 제너다이오드, 정전압의 효과를 볼 수 있다.)

4.  데이터시트 해석을 위한 전기적 특성 파라메터

(1) VI 특성 곡선

다이오드의 전압과 전류의 상관관계를 나타낸 곡선 그래프. 전압 축의 + 방향은 순방향 바이어스, - 방향은 역방향 바이어스를 의미. knee 지점부터는 다이오드의 소자 특성이 없어져 위에 설명하였던 역방향 breakdown 영역이라 볼 수 있겠다.

(2) 순방향 전압 (VF)

 

IN4004 다이오드 데이터시트

@는 동작된 조건 정도로 해석하고, 즉 순방향 1A 일때 공핍전압을 의미한다. (전압강하되는 전압으로 해석해도 되겠다)

위의 데이터시트를 참조해보니 최대 1V의 전압강하가 걸리는 것을 알 수 있다. (참조한 것은 MAXIMUM RATING 부분)

물론, 다이오드 마다 다르겠지만 실리콘(Si)로 만들어진 다이오드는 0.7V~1.3V 정도의 순방향 전압을 가지므로 데이터시트를 확인해보아야한다 (이 VF가 낮은... 대략 0.3V 인 다이오드를 쇼트키 다이오드라 한다)

(3) 역방향 전압 (VR)

IN4004 다이오드 데이터시트

데이터시트의 역방향 전압은 항복전압(Breakdown)을 말하는 것이다.

제너다이오드가 아니라면 항복전압은 그냥 소자가 파괴되는 구간이라고 보는 것이 맞다. (제너는 항복전압을 초과해도 일정 전압이 유지되며 파괴되지 않음)

위의 데이터시트는 모델마다 다른데 35~700V 사이에서 다양하게 존재한다.

(4) 순방향 허용전류 (IAV)

IN4004 다이오드 데이터시트

 @ 는 역시 동작된 조건 정도로 해석하고, 연속적으로 동작시켜도 정상 동작하는 순방향 전류의 최대치를 의미한다.

위의 데이터시트는 1A 정도를 마진으로 두고 있으며 권장하고 있다.

(5) 최대 역 전류 (Peak Reverse Current)

 

역방향 바이어스가 걸렸을때, 전류가 완전히 차단되는 것이 이상적인 소자이겠지만

그런 이상적인 소자는 이 세상에 존재하지 않는다.

위의 최대 역 전류는 차단되에도 누설 되는 전류를 의미하며 마이크로 암페어로 매우 적으므로 보통 이 파라미터는 무시한다.