다이오드 문턱전압 이유 - daiodeu munteogjeon-ab iyu

다이오드는 전류를 한쪽 방향으로 흐르게 하는 반도체 부품입니다. 다시 말해 교류를 직류로 바꿔주는 소자라고도 설명할 수 있습니다.

그림. 1 다이오드의 기호

일반적으로 전극에서 환원반응이 일어나는 곳을 cathode, 산화반응이 일어나는 곳을 anode라 합니다. 반도체는 p형과 n형이 있는데 p형 반도체 방향을 anode, n형 반도체 방향을 cathode라 합니다. PN접합을 통해 anode를 (+), cathode를 (-)로 하여 전류가 흐르게 하는 것을 순방향 특성이라하며, 반대로 anode를 (-), cathode를 (+)로 하여 전류를 차단하는 되는 것을 역방향 특성이라 합니다. 그림 2는 이상적인 다이오드의 특성으로 순전압이 걸리면 순방향으로 전류가 흐르게 되며, 역전압이 걸리면 전류가 흐르지 않는 특성을 보여줍니다.

그림. 2 이상적인 다이오드의 특성

하지만 실제 다이오드의 동작은 그림 2가 아닌 그림 3과 같은 곡선의 형태로 동작합니다. 그림 3의 (a)~(d)까지의 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

그림. 3 다이오드의 특성 곡선

(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.

그림. 4 클램프 다이오드의 회로

다이오드는 그림 4와 같이 신호선의 보호 용도로 사용할 수 있습니다. 다이오드 2개를 각각 GND와 Vcc에 연결한 형태를 클램프 다이오드라고 합니다. 신호에 과전압이 인가되면 GND에 연결된 다이오드를 통해 -0.6V 이하의 전압을 차단하고 Vcc에 연결된 다이오드를 통해 Vcc+0.6V 이상의 전압을 차단합니다. 이를 통해 과전압 혹은 ESD로 부터 OUT과 연결될 부품을 보호할 수 있습니다. 참고로 클램프 다이오드는 빠른 응답속도를 요구하므로 fast switching diode를 주로 사용합니다.

그림. 5 클램프 다이오드를 사용한 결과 (Black : IN, Blue : OUT)

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.