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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.

다이오드 설명

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제2장 다이오드 특성 : 네이버 블로그

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Most searched keywords: Whether you are looking for 다이오드 원리와 종류 여기서 특정 전압을 문턱전압이라 불립니다. 보통 실리콘 다이오드 기준으로 봤을 때는. 0.7V 이상 전압이 높아져야 전류가 흐르게 됩니다. 먼저 다이오드 원리에 대해서 정리를 해보도록 하겠습니다 다이오드는 기본적으로 PN 접합형으로 이루어져 있습니다 여기서 PN 접합형이란 P는 Positive 긍정의 의미로 +라는 뜻입니다 전기전자에서 긍정이란 +전..전기전자와 생물 화학 지구과학등 과학적인 콘텐츠와 만들기 일상근황관련 올리는 블로그입니다
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Most searched keywords: Whether you are looking for [전자회로] 다이오드를 사용하는 이유, 원리, PN접합 이 전압을 문턱전압이라고 한다. 2. 순방향 바이어스를 걸면 순방향 전류가 흐른다. 순방향으로 바이어스를 건다는 것은 P형쪽에 +극 … 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 위..
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제2장 다이오드 특성

[ 전자회로실험 예비레포트 ] 제가 대학교3학년때 썼던 전자회로실험 예비레포트 관련이론 공유합니다 🙂 ★ 블로그자체에 오른쪽마우스사용을 금지해서 스크랩 후 긁어 사용하시면 됩니다 ★

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[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

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다이오드 원리와 종류

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다이오드 문턱 전압

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