회로도에서 다이오드 모습
2극관인 Western Electric 274B의 모습
1. 진공관 다이오드
Di(2) + electrode(전극) = Diode(2극)전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 만드는 장치. 본래는 진공관의 2극관을 말하는 것이다.
토마스 에디슨이 백열전구로 실험하다가 필라멘트에서 금속판(플레이트)으로 전류가 흐르는 것을 보고 발견한 에디슨 효과를 이용하여 탄생한 최초의 형식의 진공관이다. 에디슨은 백열전구의 효율 개선에만 관심이 있었고 에디슨 전기 회사는 직류를 직접 송전하고자 했기 때문에 이 효과에 관심을 두지 않았고 이후 영국의 플레밍이 1904년 특허등록, 무선전신부품으로 사용했다.
2극관은 애노드(Anode, 플레이트), 캐소드(Cathode)[1]로 구성되는 단순한 구조의 진공관으로 한쪽으로만 전류가 흐르므로 교류 전기를 직류 전기로 바꾸는 정류관이나 검파용으로 활용된다. 최초에는 전신기에 사용하였다고 한다. 정류기나 라디오관 중 일부가 이쪽이다. 이 구조에서 발전하여 전자를 제어하는 그리드란 부품이 추가되어 3극관, 4극관, 5극관, 7극관 등 다양한 극을 가진 진공관이 탄생하여 다양한 용도로 쓰이게 되었다.
2. 반도체 다이오드
정류기(rectifier)라고도 부른다. 보통 생각하는 다이오드는 반도체 다이오드일 것이다. 위의 2극 정류관과 같이 양극(anode)에서 음극(cathode)으로만 전류가 흐르는 소자를 뜻한다. 동일한 작동을 하나 구조는 반도체를 이용하는 것으로 다르다. 순수한 규소(실리콘, Si) 덩어리에 불순물을 약간 첨가( 도핑)하면 특수한 전기적 성질을 띠는데, 이 때 붕소, 알루미늄 등의 13족 원소를 도핑한 P형 반도체를 양극, 음극 쪽으로 쓰이는 것은 인, 비소 등의 15족 원소를 도핑한 N형 반도체를 음극으로 쓴다. 이 두 개를 결합 시킨 것이 다이오드. 당연히 P→N 방향으로만 전류가 통하며 N→P는 전자의 척력 때문에 전기가 통하지 않는다[2]. 다만 이상적인 다이오드의 설명과는 다르게, 다이오드도 작동시키려면 어느 정도 이상의 전압이 필요하다. 이를 문턱 전압(threshold voltage)이라고 하고, 규소(Si)로 만든 다이오드의 경우 0.7 V[3], 쇼트키 다이오드의 경우 0.5 V, 저마늄( Ge)으로 만든 다이오드의 경우에는 0.3 V 정도 된다. 생물로 치면 정맥에서 볼 수 있는 판막과 같은 역할을 한다. 이를 활용하여 PNP, NPN 구조로 만든 것이 바로 트랜지스터이다. 그리고 LED, 광다이오드(photo-diode, PD) 등은 이쪽 계열의 친척. 비슷한 소자로는 사이리스터나 TRIAC, PUT 같은 것들이 있다.
종류로는 제너(Zener) 다이오드, 쇼트키(Schottky) 다이오드, 버랙터(Varactor, 전압을 필요한 만큼 인가하여 공핍층(depletion layer)의 두께를 조절하고 이를 통해 적절한 정전용량를 취하여 마치 축전기처럼 사용하는 다이오드)같은 것들도 있다.
한 쪽 방향으로만 전기를 통하는 특성을 이용한 것 중 가장 대표적인 것이 파워서플라이에 주로 쓰이는 브릿지 정류회로(Bridge rectifier)다.
이 회로대로 만들면 오른쪽에서 나오는 직류 전압은 사인값에 절댓값을 취해준 형태가 된다. 쉽게 말해 물결 모양이던 전압 파형이 공 튀기는 모양의 파형으로 바뀌며 이를 맥류라고 한다. 그러므로 전압 안정회로를 달아야한다. 제일 간단한 방법은 위 그림 오른쪽(출력쪽)에 축전기 한 개를 달아주는 것. 이 회로를 그대로 쓰면, 교류전압의 실효값(rms)에 의해 [math(\sqrt2)]배만큼의 전압이 나오는 것에 유의하자.[4] 220V AC라면, 311V DC쯤 된다. 위의 진공관의 경우 플레이트와 필라멘트 구조물이 2개인 것을 알 수 있는데 위의 정류 회로를 한 개의 진공관으로 만들 수 있다. 또한 진공관 정류 회로의 경우 초크 트랜스라는 부품을 사용하기도 한다. 그리고 이 회로는 교류->직류 변환뿐만 아니라 배터리를 반대로 끼는 불상사가 일어났을때 회로를 보호할때도 사용된다. 왼쪽에 직류를 걸면 어느 쪽이 +든 -든 오른쪽에는 똑같은 방향으로만 전류가 흐르기 때문이다.
LED를 이용한 브릿지 정류회로의 예. LED가 다이오드의 일종이기에 가능한 것으로, 저런 식으로 전류가 제어되는 것을 알 수 있다.
2.1. 발광 다이오드(LED)
2.2. 광다이오드
포토 다이오드라고도 부른다.광전 효과를 이용하여, 특정 파장의 빛이 들어오면 광전류가 흐르게 된다. 보통 역방향으로 바이어스를 걸어 빛이 들어올 때 전류가 흐르도록 하는 형태로 쓰인다.[5] 예를 들면 적외선 발광 다이오드와 함께 사용하는 접근 센서나 속도 측정 장치, 이미지 센서가 있다.
포토 다이오드의 광전류 및 에너지 변환률을 극대화시킨게 바로 태양전지다.
인체 투과성이 좋은 적외선을 신체에 비추면 혈액 순환에 따라 투과도가 달라지며 이를 포토다이오드로 받아서 처리하는 것이 광전용적맥파이고 더 나아가서 두뇌 혈액순환 관찰에 이용한 것이 fNIRS이다.
P가 전지의 +, N이 전지의 -로 작용
2.3. 제너 다이오드
전체적인 특성은 일반적인 다이오드와 같으나 일정전압(항복전압)이상이 되면 전류가 증가하고 다이오드의 전압은 일정해진다. 반도체의 고농도 도핑으로 인해 역방향 바이어스에서 P형의 가전자대에서 N형의 전도대로 전자가 터널링하여 역방향 전류가 흐르게 되는 제너 항복 현상을 이용한다.즉 제너 다이오드는 일반 다이오드와 달리 역방향 바이어스를 사용한다. 주로 직류 파워서플라이의 정전압 조절 회로에 사용된다.
2.4. 바리스터 다이오드
큰 전압에선 낮은 저항을 낮은 전압에선 높은 저항값을 가진다. 이런 특성을 이용하여 과도전압을 흡수, 보호하는 용도로 쓰인다.2.5. TVS 다이오드
과도전압을 클리핑해준다. 비슷한 역할을 하는 부품은 바리스터가 있다. 자신이 개발하는 부품이 가격에 민감하면 바리스터도 좋다. 일정 전압 이상이 되면 전류가 증가한다는 점은 제너 다이오드와 같지만 순간적으로 수백 와트 이상의 대전력을 흘려보낼 수 있기 때문에 서지 보호에 활용할 수 있다.2.6. 쇼트키 다이오드
쇼트키 다이오드는 P형반도체와 N형반도체를 접합시킨 PN 접합의 성질을 이용하는 다른 다이오드와는 달리 금속과 반도체를 접합시킨 MS접합(쇼트키 접합)을 이용해 만든 다이오드이다. 역할은 일반적인 다이오드와 같으나, 낮은 커패시턴스로 인해 응답특성이 우수하며, 주로 수십 kHz ~ 수 MHz대의 고주파 회로에 사용된다. 또한 순방향 전압 강하가 일반 다이오드에 비해 낮은 편이다. 대신 역방향 누설 전류가 더 크고 항복 전압도 더 낮다.2.7. 고속 다이오드
정전류용 다이오드다. N형 반도체 쪽에 금같은 귀금속을 첨가한다. 일반 다이오드에 순전류가 흐르고 다시 역전류가 인가되면 커패시턴스로 인해 아주 짧은 시간동안은 전류가 흐른다. 때문에 수백 KHz 이상에서는 사용하지 못하는데, 고속 다이오드는 이 커패시턴스를 대폭 줄인 다이오드이다. 주로 SMPS와 같은 고속 스위칭 회로에 사용된다.3. 제원 해석
| Maximun Peak Reverse Voltage.....PRV......0000.0V PK | |
| 해석 | 최대 순간 역전압이 0000.0V |
| Maximun Peak Reverse Current.....Io.@ TA...0.0A AV | |
| 해석 | 최대 순간 역전류가 0.0A |
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@Half-Wave Resistive Load 60Hz...Io.@ TA....75℃ Maximun Forward Peak Surge Current @8.3ms Superimposed..............IFM(suge)..00A PK |
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| 해석 | 주변 온도 75도 이하, 60Hz 반파정류회로에서 저항성 부하인 경우 순방향 최대 전류값이 00A |
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Maximun Reverse Current @ PRV @25TA......................IR........0.0uAdc |
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| 해석 | 역방향 최대 전류가 0.0uAdc |
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Maximun Forward Voltage..........IFM.......1.0A PK @25TA............................VFM.......1.3V PK |
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| 해석 | 순방향으로 1A 정도 흐를 때 발생하는 다이오드 전압강하가 최대 1.3V 내외 |
| Maximun Reverse recovery Time....Trr.......500ns | |
| 해석 | 최대 역회복시간은 500ns |
[1]
직열형 진공관은 필라멘트가 캐소드 역할을 하며 방열형 진공관은 히터가 별도의 캐소드를 가열하여 동작한다.
[2]
사실 역방향으로 nA 수준의 매우 작은 누설전류([math(-I_S)], reverse saturation current)가 흐르긴 한다. 하지만 점점 역방향 전압을 높여서 인가하다보면 갑자기 큰 역방향 전류가 흐르게 된다. 마치 댐을 넘어서 물이 쏟아지듯 갑자기 확 쏟아지는데 이를 항복(breakdown) 현상이라 한다. 항복은 크게 터널링(tunneling) 항복과 애벌런치(avalanche) 항복으로 나뉘는데, 특히 후자의 경우 이 과정에서 발생하는 열이 다이오드를 영구적으로 파괴할 수 있다. 단, 제너(Zener)나 TVS 다이오드같은 특수한 소자는 이 항복 현상을 이용할 목적으로(ex. 안정적인 전압원) 일부러 만든 놈이라 파괴되지 않게 한다. 거는 전압은 크게 달라지지 않는데 흐르는 전류가 많이 바뀌는 다이오드이다. 즉 i-v 특성에서 저항([math(r_z)])의 역수에 해당하는 기울기를 많이 키우는 다이오드다. 따라서 제너 다이오드를 piece-wise linear model로 만들면 매우 작은 [math(r_z)] 값을 가진다.
[3]
따라서
전자 회로 문제를 풀 때 정바이어스 시 0.7 V 정전압 강하 모델을 많이 쓰는 편이다.
[4]
가정에 공급되는 전원의 순간 최대 전압이 [math(220 \sqrt 2 \rm V)]이기 때문이다.
[5]
보통 다이오드에 외부 전압을 걸면 순방향의 확산 전류(Diffusion current)와 역방향의 표동 전류(Drift current)가 흐르게 된다. 확산 전류는 순방향 전압을 가할 시 매우 커지게 되고 역방향 바이어스에서는 끊기는 성질을 지녔고 표동 전류는 역방향 전류일수록 커지나 크기가 매우 작아 영향력이 미미하다. 그렇기 때문에 보통은 순방향 바이어스에서는 커다란 확산 전류가 흐르고 역방향 전압에서는 미미한 표동 전류만 흐른다는 점을 활용해 정류기로 이용한다. 하지만 특정 성질을 만족하는 다이오드는 외부 열이나 빛 에너지를 흡수해 P-N 접합 상에서 전류를 만드는 전자-양공쌍이 생성되어 표동 전류가 커지는데 광다이오드는 이를 활용해 상시 역방향 전압을 걸어놓고 빛 에너지로 인한 표동 전류를 측정해 외부에서 빛을 받았는지를 전기적으로 인식하는 식으로 만들어졌다.