Diode란? 종류와 용도 장단점
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안녕하세요. 오늘은 Diode에 대해 알아보려고 합니다.
다이오드란?
저마늄(germanium 또는 게르마늄)이나 규소(si)로 만들어지고, 주로 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자를 말한다. 정류, 발광 등의 특성을 지닌다. 대부분의 다이오드는 실리콘(si, silicon)으로 만들어지며, 대부분의 반도체 다이오드는 p-n 접합으로 두 개의 전극을 갖는 반도체 결정체이다.
반도체 다이오드
다이오드는 반도체의 PN접합에 바탕을 두고 있으며, 전류는 P형 반도체(anode, 애노드) 면에서 N형(cathode, 캐소드) 면으로만 흐를 수 있다.
다이오드의 종류
정류 다이오드(silicon Diode)
다이오드의 가장 중요한 기능은 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게하는 정류작용이다. 전원공급장치나 신호처리시 정류작용을 활용한 회로에 적용할 수 있다. 이때는 역방향 전류는 흐르지 못하게 하는 기능을 활용한다.
주로 실리콘을 이용하여 만들어지고, 보통 전력제어용과 신호처리용으로 나누어 만들어진다. 실리콘 재질의 장점은 생산성과 품질 안정성이나 단점은 순전압이 저마늄에 비해 다소 높다. 즉 예를 들어 태양광으로 배터리를 충전시 발열로 인하여 전력 손실이 높다는 점이다. 저마늄은 실리콘에 비해 신호의 반응속도가 빠른 특성이 있으나 열에 약하며 고장의 위험이 있으며 초기 라디오 부품으로 사용되거나 제품의 특성상 주파수가 높은 경우에 저마늄을 사용하는 경우가 있다.
제너 다이오드(zener Diode)
일반적인 다이오드와 유사한 PN 접합 구조이나 다른 점은 매우 낮고 일정한 항복 전압 특성을 갖고 있어, 역방향으로 어느 일정값 이상의 전압이 가해졌을 때 전류가 흐른다. 제너 항복(Zener Breakdown)과 전자사태 항복(Avalanche Breakdown) 현상을 이용하며, 5.6V 이하에서는 제너 항복이, 그 이상에서는 전자사태 항복 현상이 주 특성이 된다. 제너 항복에서는 온도 계수가 부성이며 전자사태 항복에서는 그 반대가 된다. 우측의 특성 그래프에서 볼 수 있듯이 넓은 전류범위에서 안정된 전압특성을 보여 간단히 정전압을 만들거나 과전압으로부터 회로소자를 보호하는 용도로 사용된다.
쇼트키 다이오드(Schottky diode)
n형 반도체에 p형 대신 금속을 사용하여 n형의 특성을 발휘하도록 만들어진 다이오드이다.
쇼트키 다이오드의 특성
1. 순방향 전류 시 낮은 전압 : 방향 전압 인가 시, 0.2~0.3V이다. 실리콘 다이오드가 0.6~0.7V 인데 비해 전압이 낮다.
2. 고속 전환 복구 시간 : 순방향과 역방향 바이어스 전환 시, 고속 복구 시간을 갖는다. 이것은 적은 전하량이 충전되기 때문이다. 고속 스위칭 응용회로에 적합하다.
3. 낮은 접합 캐피시턴스 : 금속 접촉으로 액티브 영역이 작다. 이것은 전하의 충전을 작게 만든다.
중요한 특징으로 역방향에서 순방향으로 전환할 때, p-n 접합보다 빠른 전환이 가능하다. 따라서 신호 처리용과 전력제어용으로 사용이 가능하다.
스위칭 전원장치 등에 코일과 결합하여 입력쪽에서 전류가 단절되면 코일의 전류를 유지하도록 하는 요소로 사용할 수 있다.
TVS(Transient Voltage Suppressors)
ESD(Electro Static Discharge, 정전기 방전)로부터 반도체회로를 보호하기 위해 많이 추가하는 부품이다.
TVS Diode는 과도전압(overshooting voltage)을 클램핑해준다.
일정 전압 이상이 되면 전류가 증가하는 것은 제너 다이오드와 같지만 순간적으로 수백 와트 이상의 대전력을 흘려보낼 수 있기 때문에 서지 보호에 활용할 수 있다.
TVS는 빠른 응답시간(ns 수준)과 높은 서지 흡수 기능을 갖춘 고효율 회로 보호장치로 사용된다. 양단에서 순간적으로 높은 에너지 충격을 받으면 양단 사이의 임피던스 값을 고 임피던스에서 저 임피던스로 빠르게 변경하여 높은 전류를
흡수하고 이를 통해 전압을 클램프 한다.
카메라, 휴대폰 및 휴대용 컴퓨터 장치와 같은 민감한 회로에 많이 사용된다. 이때 사용되는 다이오드는
실리콘-애벌랜치 다이오드(SAD) 이다.
TVS 다이오드는 신호 또는 전류가 처음 들어가는 회로에 배치해야 한다.
입력과 신호라인과 그라운드 사이에 병렬로 연결한다.
비슷한 역할의 부품으로는 바리스터가 있다.
바리스터는 가격이 좀 더 저렴하지만 소모성이라는 단점이 있다.
TVS의 단점으로는 순간의 과전압은 보호하지만 지속적인 과전압은 보호하지 못한다.
TVS 정리
과도 억제 다이오드
빠른 응답 시간과 높은 서지 흡수 기능을 가짐
통신선, 마이컴의 Data PIN에 많이 연결
순간의 과전압 보호, 지속적 과전압 보호 못함
위의 그림과 같이 입력 전압이 뾰족하게 솟아도 TVS 다이오드를 통과하면 일정 전압은 깎이게 된다.
Transient(과도)란?
과도는 회로를 손상시킬 수 있는 전압 또는 전류의 짧은 지속 시간 스파이크이다. ex) ESD, 낙뢰 등
과도현상은 한번 또는 여러번 회로에 인가 될 수도 있고, 최대전압도 수 mV에서 수천 V 이며, ns에서 수백 ms까지 지속될 수 있다.
과도의 원인
회로의 내부 또는 외부 연결로 인해 발생할 수 있다.
외부적으로는 ESD나 낙뢰, 유도 스위칭으로 발생할 수 있고, 내부적으로는 스위치 및 커넥터의 잘못된 접점으로 과도 전류가 발생할 수 있다.
오늘은 Diode의 종류와 용도 및 장단점에 대해 알아봤는데요
다음 시간에는 TVS다이오드와 바리스터의 차이에 대해 알아보도록 하겠습니다.
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