정류 다이오드(Rectifier Diode)

[관운]

정류 다이오드(Rectifier Diode)

다이오드는 진공관보다 먼저였다. 이극 진공관에 의한 정류 특성, 에디슨 효과가 발견되었던 것이 1884년의 일이다. 그러나 그보다 8년 전인 1876년에는 Selenium의 정류작용이 발견되었다. 이처럼 반도체의 특성을 이용해 정류 작용을 하는 다이오드의 역사는 지극히 오래되었지만 진공관보다 이전에 정류특성이 이용되었다는 것은 잘 모른다.

P형 반도체와 n형 반도체의 접합

앞절에서 진성반도체(Intrinsic Semiconductor)와 불순물을 첨가한(doped) p 또는 n 형 반도체를 물질내의 전자나 자유전자의 입장에서 보면 p형 반도체는 자유전자를 항상 받아들이려는 자세를 취하고 있고 n형 반도체는 여유전자(Excess Electron)를 언제든지 빼앗길 여건을 갖추고 있다. 이렇게 외부의 전자를 받아들일 수 있는 상태의 불순물 반도체(Doped Semiconductor)를 억셉터(Acceptor)라 하고 우리는 흔히 구조상으로 외부의 전자가 들어가 앉을 수 있는 빈집에 해당하는 여분이 있다고 하여 정공(Hole)이라고 부른다.

마찬가지로 외부에 전자를 쉽게 내어줄 수 있는 형태의 불순물 반도체를 도너(Doner)라 부른다. 전자에 미치는 영향으로 보아서 p형 반도체나 n형 반도체는 전기적으로는 중성이지만 실제 구조적으로 전자를 끌어들이거나 배척하는 성질을 가지므로 정공은 양성(Positive)의 p, 도너는 음성(Negative)의 n으로 표시한다.

앞 절에서의 반도체를 구조상의 내용을 일반화하여 다음 그림과 같이 정공을 많이 가지고 있는 p형 반도체와 여유전자(Excess Electron)를 많이 가지고 있는 n형 반도체로 표시해 준다.

만약 p형 반도체와 n형 반도체를 서로 맞붙이면 어떤 현상이 일어날 것인가 ?

형 반도체는 구조적으로 전자를 보충하여야 할 입장이고 n형 반도체는 구조적으로 공유결합에 참여하지 못한 여분의 전자를 가지고 있는 실정인데 두 물질이 접합함으로써 자연스럽게 n형 반도체 쪽의 여유전자들은 p형 반도체의 정공쪽으로 이동하여 구조적인 자리를 메꾸고 들어가게 된다. 즉 두 물질이 접합한 접합면에 가까운 곳에서는 활발한 전자의 확산을 통한 이동이 이루어 지게 된다. 그러면 물질 자체는 전기적으로 중성이던 것이 p형 반도체는 전자를 받아들임으로써 전기적으로 ㊀를 띠게 되고 n형 반도체는 전기적으로 ⊕가 된다.

만약 p형 반도체와 n형 반도체를 서로 맞붙이면 어떤 현상이 일어날 것인가 ?

p형 반도체는 구조적으로 전자를 보충하여야 할 입장이고 n형 반도체는 구조적으로 공유결합에 참여하지 못한 여분의 전자를 가지고 있는 실정인데 두 물질이 접합함으로써 자연스럽게 n형 반도체 쪽의 여유전자들은 p형 반도체의 정공쪽으로 이동하여 구조적인 자리를 메꾸고 들어가게 된다. 즉 두 물질이 접합한 접합면에 가까운 곳에서는 활발한 전자의 확산을 통한 이동이 이루어 지게 된다. 그러면 물질 자체는 전기적으로 중성이던 것이 p형 반도체는 전자를 받아들임으로써 전기적으로 ㊀를 띠게 되고 n형 반도체는 전기적으로 ⊕가 된다.

P형 반도체와 n형 반도체를 마주 붙여 놓으면 n형 반도체의 여유전자(Excess Electron)이 확산되어 p형 반도체 속으로 이동해 들어가므로 결과적으로는 p형 반도체 쪽에 ㊀전기를 띄고 n형 반도체 쪽에 ⊕전기를 띄게 되므로 전기적으로 ⊕와 ㊀의 양극성을 가진 물질이 된다. 이렇게 여유전자가 확산되어 들어가서 정공의 수가 줄어들고, 또 여유전자의 수가 정상상태보다 적어진 영역을 공핍층(Depletion Layer)라 한다. 또한 이 공핍층을 포함하는 접합면을 가진 구조는 전기적으로 ⊕㊀즉 양극성을 가지게 되어 영어로 다이오드(Diode)로 표현된다. 그러므로 다이오드는 n형 반도체에서 p형 반도체로 전자가 이동하므로 전류는 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐르게 된다. 그래서 p형 반도체부분을 양극, n형 반도체부분을 음극으로 정의한다.

이렇게 p-n접합면에 형성되는 전기적 에너지는 전압으로 측정되고 반도체를 실리콘물질을 기반으로 사용하였을 경우는 약0.7v, 게르마늄의 경우 약0.3v정도의 전위(Electric Potential)가 형성된다

P형 반도체와 n형 반도체를 마주 붙여 놓으면 n형 반도체의 여유전자(Excess Electron)이 확산되어 p형 반도체 속으로 이동해 들어가므로 결과적으로는 p형 반도체 쪽에 ㊀전기를 띄고 n형 반도체 쪽에 ⊕전기를 띄게 되므로 전기적으로 ⊕와 ㊀의 양극성을 가진 물질이 된다. 이렇게 여유전자가 확산되어 들어가서 정공의 수가 줄어들고, 또 여유전자의 수가 정상상태보다 적어진 영역을 공핍층(Depletion Layer)라 한다. 또한 이 공핍층을 포함하는 접합면을 가진 구조는 전기적으로 ⊕㊀즉 양극성을 가지게 되어 영어로 다이오드(Diode)로 표현된다. 그러므로 다이오드는 n형 반도체에서 p형 반도체로 전자가 이동하므로 전류는 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐르게 된다. 그래서 p형 반도체부분을 양극, n형 반도체부분을 음극으로 정의한다.

이렇게 p-n접합면에 형성되는 전기적 에너지는 전압으로 측정되고 반도체를 실리콘물질을 기반으로 사용하였을 경우는 약0.7v, 게르마늄의 경우 약0.3v정도의 전위(Electric Potential)가 형성된다.

1. 실리콘 공핍층의 전위장벽(Potential Barrier of Si Semiconductor)

2. 게르마늄 공핍층의 전위장벽(Potential Barrier of Germanium Semiconductor)

위에서와 같이 p형 반도체와 n형 반도체를 서로 면으로 접촉시켜 놓은 것을 접합(Junction)형 다이오드라 한다. 마찬가지로 n형 또는 p형 반도체에 날카로운 도체를 접촉시켜 놓은 것도 똑 같이 다이오드의 역할을 한다. 이런 형태의 다이오드를 점접촉(Point Contact)다이오드라 하고 점접촉을 위한 날카로운 금속선은 고양이의 수염과 같은 형태를 하기 때문에 고양이수염(Cat’s Whisker)라 한다.

바이어스(Bias)의 인가?

그림의 p-n접합으로 이루어진 다이오드에 외부에서 전압을 가해주면 두가지의 경우에 대해 다른 효과가 일어난다. 한가지 경우는 p형 쪽에 ⊕전압을 가했을 경우 p형 반도체 내부의 정공(Hole)에 n형 반도체로부터 이동해와서 자리를 차지하고 있던 여유전자(Excess Electron)들은 강한 ⊕전압에 의해 다시 전지 쪽으로 빼앗기게 되어 p형 반도체는 다시 정공이 많아지게 되어 n형 반도체로부터 다시 많은 여유전자를 받아오게 된다. 즉 n형 반도체의 여유전자는 p형으로 계속 공급되고 n형 반도체의 뒤쪽에서는 다시 전지로부터 전자가 공급되어 이 회로에서는 전류 IF가 흐르게 된다.

즉 전압을 p형 반도체 쪽에 ⊕, n형 반도체 쪽에 ㊀를 걸어주면 다이오드를 통해서 전류가 흐르게 된다. 이런 현상이 일어나는 경우 걸어준 전압을 순방향 바이어스(Forward Bias)라 한다.

마찬가지로 전압을 반대로 즉 p형 반도체에 ㊀를 걸어주고 n형 반도체에 ⊕를 걸어주면 p형 반도체는 n형 쪽에서 전자를 공급 받아서 정공의 수가 적어지고 또한 전지 쪽으로부터도 전자를 받아서 정공의 수가 작아져서 큰 ㊀가 형성되어 n형 반도체로부터 전자의 이동이 어렵게 된다. 즉 전자가 p-n접촉면(Junction)을 넘기가 힘들게 된다. 즉 접합면에 강한 ⊕㊀층이 형성되어 이 층을 전자가 뚫고 넘기가 어렵게 된다. 이 층을 전위장벽(Potential Barrier)라 한다. 이런 상태로 전압을 걸어주면 전자의 이동이 거의 불가능하게 된다. 이런 상태가 일어나도록 걸어준 전압을 역방향 바이어스(Reverse Bias)라 한다.

이렇게 다이오드에는 순방향 바이어스를 걸어주면 순방향 전류 IF가 흐르고 역방향 바이어스를 걸어주면 전류가 흐르지 못한다. 이것은 마치도 다이오드가 순방향 바이어스에 대하여는 스위치를 켜주는 역할을 하고 역방향 바이어스에 대하여는 스위치를 꺼준 경우와 같다. 이 기능을 이용하면 다이오드를 이용하여 한 방향으로만 전류를 흐르게 할 수 있다. 이렇게 전압이 교대로 바뀌어도 한 방향으로만 전류가 흐르도록 하는 기능을 정류(Rectification)작용을 한다고 하고 이러한 역할을 하는 다이오드를 정류 다이오드(Rectifier Diode)라 한다.

실제로 다이오드에는 역방향 바이어스를 걸어주어도 약간의 전류는 흐른다. 이것은 p형 반도체의 정공에 ㊀전압이 가해졌으므로 p형에 있는 정공에 걸어준 전원에 가까운 곳은 전자가 공급되어 정공을 메꾸고 이 메꾼 정공은 옆의 정공으로 전자가 전파되어 최소의 전자의 이동(이것은 정공이 직접 이동한 것과 같은 효과이므로 정공의 이동으로 보아도 된다.)이 있게 되어 최소의 전류가 흐른다. 이런 현상은 전원 가까운 곳의 정공의 자리를 다 메꾸고 나면 더 이상 전자의 이동이 증가할 수가 없게 될것이다. 이렇게 가까운 모든 곳의 정공을 메꾸게 되면 전자는 포화상태(Saturation)에 이르게 된다. 그러므로 이러한 전류를 포화전류(Is : Saturation Current)라 한다. 대개 포화전류는 매우 작아서 “0”으로 표시하지만 저전력, 소 신호용의 경우에는 큰 영향을 미치게 되므로 중요하게 고려하여야 한다.

􀂗 게르마늄에서 실리콘으로

초기의 다이오드인 셀레늄 정류기나 광석검파기는 황철광(Iron Pyrites)이나 방연광(Galena) 등 천연의 아산화동(다결정 반도체)을 이용하고 있었다. 그 후 정련기술의 진화와 함께 게르마늄이나 실리콘 등 고감도 제품을 안정되게 생산할 수 있는 단결정 반도체의 시대로 발전했으며 열에 약한 게르마늄 대신 현재는 거의가 실리콘을 사용하고 있다.

정류용 다이오드

앞에서 설명한대로 다이오드의 기능은 쉽게 생각하면 전류 스위치라고 할 수 있다. 전기의 흐름을 물의 흐름에 비유해 보면 양극은 물의 상류 음극은 하류에 해당하며 상류에서 하류로 물이 흐르는 것처럼 양극에서 음극으로 전류가 흐르며(실제로는 음극에서 양극으로 전자가 흐른다.) 하류에서 상류로 물이 흐르지 않는 것처럼 음극에서 양극으로는 전류가 흐르지 않는다. 이것이 다이오드의 정류 원리이다.

일반적으로 다이오드라 하면 작은 신호를 취급하는 경우로 흐르는 전류의 범위도 수 밀리암페어 범위이다. 그러나 정류기라는 표현을 썼을 때는 흐르는 전류의 범위가 1~1000암페어 정도에 이르고 때로는 더 큰 전류를 흐르는 경우의 다이오드를 말한다. 대개의 다이오드는 1Nxxxx로 표시되고 전류는 양극에서 음극으로 흐르는 것을 표준으로 하고 있다.

이상적인 다이오드의 경우는 전원을 껐다 켰다 하는 스위치의 경우와 같고 이런 경우는 순방향 바이어스가 걸렸을 때는 스위치를 켠 경우이고 역방향 바이어스가 걸렸을 경우는 스위치를 껐을 경우이다.

그러나 실제의 경우는 앞에서 설명한대로 순방향에서도 어느 정도의 전압이 걸린 후에 모든 정공과 여유전자가 흐름에 가담하여 스위치를 켠 경우와 같이 전류가 흐르고 역방향일때도 정공과 여유전자의 내부 확산에 의한 최소의 전류가 흐른다. 즉 포화전류가 흐른다. 이 포화전류는 다이오드를 순수한 스위치의 목적에서 보면 바람직하지 않은 유실이다. 그래서 이 전류를 포화전류라는 말 대신에 유실전류(Leakage Current)라 한다. 외부의 바이어스 전압을 점점 높여가면 어느 크기에 이르러서는 결합구조에 참여하고 있던 전자들과 정공들이 결속력을 떨치고 즉 외부의 강한 인력에 의해 튀어나와서 흐름에 참여하게 된다. 이것을 절연파괴(Breakdown)현상이 일어났다고 한다. 일단 절연파괴가 일어나면 급격한 전자의 흐름이 생기게 되어 이 큰 전류는 반도체 물질 자체를 파괴하게 된다.

다이오드에서 순방향 바이어스를 걸어 주었을 때 흐르는 전류를 순방향전류(IF: Forward Current)라 하고 이때 전류가 흐르기 시작하는 전압을 순방향 문턱전압(VF: Forward Threshold Voltage)이라고 하고 실리콘 반도체의 경우 약 0.7V, 게르마늄 반도체의 경우 약 0.3V이다.

전류용량

정류 다이오드는 대개 얼마의 역 바이어스에 견딜 수 있느냐 와 얼마의 전류를 흘려줄 수 있느냐로 따진다. 전류용량(Current Rating)은 다이오드를 만들고 있는 반도체 칩의 크기가 얼마인가와 반도체의 내부에서 발생하는 열을 얼마나 밖으로 잘 전달시켜줄 수 있는 재질을 가지고 포장(Package) 했느냐에 의해서 결정된다.

스위칭 속도

다이오드는 스위치의 역할을 하므로 스위치는 얼마나 많은 전류를 얼마나 빠른 시간에 켜고 끌 수 있느냐가 핵심 요소이다. 다이오드의 스위칭 속도는 다이오드를 만들어 준 구조와 제조기술에 따라 결정된다. 침의 모양과 불순물의 첨가 정도, 그리고 칩 주변의 온도에 의해 결정된다. 스위치가 on에서 off로 얼마나 빨리 전환하느냐를 역회복시간(trr: Time to Reverse Recovery)이라고 한다.

정류다이오드의 규격

정류다이오드의 규격은 최소로 다음과 같은 요소들이 고려되어야 한다.

(a) 최대 가역전압Maximum reverse voltage

(b) (b)최대 순방향 전류(Rated forward current)

(c) 최대 순방향 강하전압(Maximum forward voltage drop)

(d) 최대 포화전류(Maximum leakage current)

(e) 패키지 형태(Package style)

(f) 최대 역회복시간(Maximum reverse recovery time)

다이오드의 정 특성

다이오드의 접합 구조는 크게 나누어 PN 접합과 쇼트키 형태로 나누어 진다. 전자는 반도체와 반도체의 접합으로 확산접합형태와 메사형태(Mesa type)로 나눌 수 있다. 접합형 다이오드는 지금까지 논의 된 거의 모두가 이 경우 이고 메사형태는 앞에서 금속에 반도체를 접촉시킨 경우이고 이경우의 대표적인 다이오드는 쇼트키 다이오드이다. 쇼트키 다이오드는 반도체와 금속 사이에 일어나는 효과를 이용한 것으로 반도체를 접합시키는 것이 아니고 접촉시키는 것이다. 쇼트키 다이오드는 전력소모가 적고 속도가 빠르기 때문에 높은 주파수의 신호용으로 쓰인다.