2.5 Zener Diode

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정산 옥
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1 Chapter 2

2 2.1 Mechanical Modeling of Diode PN접합 : 외부에너지의방향에의해한방향으로만전류가흐를수있게한다. 즉, 다이오드는방향이바뀌는외부전압에대하여한쪽방향으로만도통된다.

3 2.2 Biasing the PN Junction 평형상태에서는 PN 접합을통해움직이는자유전자가없다. 즉평형상태에서는 PN 접합을통해전류가흐르지않는다. 따라서 PN 접합을통해전류가흐르도록하기위해서는외부전압인적절한바이어스가인가되어야한다.

4 [1]. 순방향바이어스 ( Forward Bias ) : PN 접합을통해전류가흐를수있는조건. 필요조건 : i) 외부바이어스전압 V Bias 의 (+) 단자는 p 형 -Si 에,(-) 단자는 n 형 -Si 에연결. ii) V Bias > Vo.

5 그림 1-20 * 그림 1-20 순방향바이어스로연결된 pn 접합. where 저항 R : pn 접합의파괴를방지하기위한전류제한역할. ( 큰전류가흐를때, R 에서의전압강하로인해 pn 접합에걸리는전압감소 )

* 순방향바이어스에서전류흐름에대한동작원리 ; 그림 1-21 그림 1-21 1) 공핍영역에대한순방향바이어스의영향 ; 그림 1-22

6 * 순방향바이어스에서전류흐름에대한동작원리 ; 그림 1-21 그림 ) 공핍영역에대한순방향바이어스의영향 ; 그림 1-22 (a) : 공핍영역감소. 2) 순방향바이어스를가한경우, 전위장벽의영향 ; 그림 1-22 (b) : 공핍영역에서전위장벽의크기만큼전압강하.

7 * p 형과 n 형의내부저항 : 동저항 (Dynamic resistance) 그림 1-22

8 [2] 역방향바이어스 ( 역바이어스 ) * pn 접합을통해전류가흐르지못하게하는조건. * 외부바이어스전압 V Bias 의 (+) 단자는 n 형 -Si 에, (-) 단자는 p 형 -Si 에연결.

9 * 그림 1-23 역방향바이어스가인 가된 pn 접합.

10 * 역방향바이어스가인가되었을 때의동작원리 ; 그림 1-24 역방향바이어스가인가되면, 공핍영역증가 처음에는역방향으로전계의세기가증가. 공핍층에걸리는전위의크기가 V Bias 의크기와같아지면, 전계의세기는더이상증가하지않음. 역방향포화전류만흐름.

11 그림 1-24 그림 1-24

12 1) 공핍층 (Deflation Region) : 역방향바이어스는 n 형반도체접합근처의자유전자를 (+) 전원단자쪽으로끌어당겨케리어가부족하게되어공핍층의폭은더넓어짐 전압이크면클수록공핍층의폭은더넓어진다. 그러나공핍층의전위차 = 전원일때공핍층폭은더이상증가하지않는다. 자유전자와정공의이동이정지

13 2) 역전류 : n 영역과 p 영역에서열적생성된 EHP 에의한소수캐리어전류그림 1-25 그림 1-25 그림 1-25

14 3) 항복전압 (Breakdown Voltage) : pn 접합에역방향바이어스를인가시키면 pn 접합은저항이전류를흘리지못할만큼커진다. 그러나역방향바이어스를계속증가시키면결국항복전압에도달하게되는데이때많은양의소수캐리어충돌에의해 avalanche 가발생하여케리어가증가되므로역방향으로다이오드가도통되는파괴현상이일어난다. * avalanche : 전도전자의증가를가리킨다. 이것이발생하면매우큰전류가흐르게되고이로인해심한열을발생하므로다이오드를손상시킬수있다.

15 2.3 characteristic of PN junction 순바이어스는 PN 접합을통해전류가흐를때의극성을뜻하며역바이어스는무시할수있을만큼의역전류외에는전류를흘리지못한다. 역바이어스전압이항복전압이상이되지않는한전류가흐르지못한다.

16 1. 순방향바이어스의 V- l 특성 (V-l characteristic for Forward Bias) : 순방향바이어스전압이 Si diode 양단에공급됐을때접합을통해전류가흐르는데이전류가순방향전류 (forward current) 이고 IF로표시한다.

17 순방향바이어스전압이작을때 (VF < 0.7V) 매우작은순방향전류가흐른다. 순방향전압이거의 0.7V 에도달한경우엔바이어스전압이증가할수록순방향전류가증가한다. * pn접합양단의전압은 0.7V까지만증가. 전위장벽보다약간높은 PN접합양단의전압은동저항 (dynamic resistance) 의전압강하로 ] 인한것이다.

18 2. V-I 특성곡선 (V-l Characteristic Curve) pn접합회로에바이어스를인가하여측정한결과는다음그림과같이순방향 pn접합바이어스의 V-I특성곡선으로얻을수있다. Si=0.7V Ge=0.3V

19 순방향전류는전압양단순방향전압이약 0.7V 가될때까지는조금밖에증가하지않는다. 이점을지나게되면순방향전압은거의 0.7V 에머물고 IF 는급속히증가한다. 동적저항으로인한전류의증가로 VF 는 0.7V 보다약간증가한다.

20 3. 역바이어스 V-I 특성곡선 (V-l Characteristic Curve for Reverse Bias) PN 접합양단에역방향바이어스를공급하면접합을통해극히적은역전류 (IR) 만이흐른다. 그림 1-30 은전압을 0V 에서서서히역방향으로증가할때발생하는과정을나타낸다. PN 접합이 0V 일때는역전류는흐르지않는다.

21 역바이어스 V-I 특성곡선 그림 1-30

22 4. 온도에따른 V-I 특성 ; 그림 1-32 * 온도, 동일한순방향전압을기준으로 I F, 동일한순방향전류를기준으로 V F, 역전류

23 그림 1-32

24 2.4 Diodes 다이오드란오직한방향으로만전류를흐르게하는 2 단자소자를일컫는것으로써, 반도체재질에따라서게르마늄다이오드와실리콘다이오드로분류된다. 또한이것은용도와특성에따라서정류용다이오드, 제너다이오드, 고주파용다이오드, LED, 광다이오드등으로분류할수있다.

25 [1] 다이오드의구조와기호 다이오드의구조 : 그림1-33 (a) 기호 : 그림 1-33 (b) ; p 영역 : 양극 (Anode), n 영역 : 음극 (Cathode) - 화살표 : 전류흐름방향. 그림 1-33 그림 1-33

26 [2] 다이오드의순방향바이어스와 역방향바이어스 * pn 접합의바이어스와동일 : 그림 1-34 그림 1-34

27 [3] 일반다이오드 ; 그림 1-35 그림 1-35

28 [4] Ideal Diode Model * switch와등가. i) 순방향바이어스되었을때 : ( 그림 1-36 (a)), 즉, V Bias > 0 : ON ; I F = V Bias /R limit, V F = 0 ii) 역방향바이어스되었을때 : ( 그림 1-36 (b)), 즉, V Bias 0 : OFF ; I R = 0, V R = V Bias

29 그림 1-36

30 [5] Practical( 실용 ) Diode Model : 그림 1-37 * 이상스위치모델에전위장벽추가. i) 순방향바이어스되었을때 ; ( 그림 1-37 (a)), 즉, V Bias > 0 : ON switch + V F 의직렬연결, V F = 0.7V for Si, 0.3V for Ge. I F = (V Bias -V F )/R limit, (1-3) ii) 역방향바이어스되었을때 ; ( 그림 1-37 (b)), 즉, V Bias 0 : OFF switch ; I R = 0, V R = V Bias

31 그림 1-37

32 [6] Complex( 복합 ) Diode Model : 그림 1-38 * 추가 : 작은값의순방향동저항 (r d '), 큰값의내부역저항 (r R '), 전위장벽. i) 순방향바이어스되었을때 ; 그림 1-38 (a) V F + r d ' + ON switch : 직렬연결 V F = 0.7V + I F r d ' (1-4) I F = (V Bias -0.7V)/(R limit + r d ') (1-5) ii) 역방향바이어스되었을때 ; 그림 1-38 (b) r R ' OFF switch : 병렬연결

33 그림 1-38

34 2.5 Zener Diode 애벌런치 (avalanche) 나항복 (breakdown) 전압특성이낮은전압에서이루어지도록도핑된소자 항복전압은불순물도핑레벨에의해조절가능하다. 역방향직류전원에서동작하도록설계되었다.

35 (1) V-I 특성 특성곡선에서다이오드가역방향항복에이르면전류가급격히변하여도항복전압은거의일정하다.

36 (2) 항복특성 (Breakdown Characteristic) 역전압 (VR) 이증가하면역전류 (IR) 는곡선의변곡점 (knee) 의근처까지는극히적은값을유지 역전압 (VR) 은제너전류 (IZ) 가증가됨으로써다시증가하기도하지만거의일정한전압유지 제너다이오드의양단의전압을일정하게유지시킬수있는능력을갖는다.

37 (3) 등가회로 (Equivalence Circuit) ZZ = VZ/ IZ (a) 는제너전압과동일한전압을갖은이상다이오드 (b) 는제너임피던스 (ZZ) 를포함한실제다이오드

38 (4) 제한작용 (Zener Limiting) 정전압전원에사용하여전압의진동폭을제한할수있다.

39 (5) 온도계수 (Temperature Coefficient) 각섭씨 ( c) 온도변화에대한제너전압의퍼센트변화 VZ = VZ * TC * T 온도계수를 %/ c 보다는 mv/ c 로나타낼경우 VZ = TC * T TC = 온도계수, VZ = 25 c 에서의제너전압, T = 온도변화

40 2.6 Schottky Diode 금속 - 반도체결합 반도체이나 PN 접합을하지않는다. 누설전류가흐르지않는다. 다수캐리어만있고소수캐리어는존재하지않기때문이다. 특징 : 정류성, 저항성, 고속스위칭고주파정류 금속에정공이없어전하축적이없기에보통의다이오드보다아주빠른스위칭속도를갖기때문이다.

41 2.7 Optical Devices (1) LED(Light Emitting Diode) 순방향바이어스되면자유전자가접합을넘어정공과결합한다. 그러면이전자가높은에너지준위로떨어지면서재결합을하여광으로에너지를발산한다.

42 (2) 반도체물질 (Semiconductor Material) LED 에사용되는반도체물질 => 갈륨아산나이드 (GaAs), 아산나이드포스파이드 (SaAsP), 갈륨포스파이드 (GaP) 등 Ⅲ-Ⅴ족화합물 => GaAs는적외선방출 GaAsP는붉은색 or 노란색의가시광방출 GaP는붉은색 or 녹색가시광방출

43 (3) LED 바이어스 (LED Biasing) 실리콘다이오드의경우보다훨씬큰 LED 양단의순방향전압 = (1.2V~1.3V) 실리콘정류다이오드보다훨씬적은LED에대한역방향항복전압 = (3V~10V) LED는충분한순방향전류의응답으로빛을방출하며, 순방향전류는광출력에비례한다.

44 (4) 광다이오드 (Photo Diode) 역방향바이오스로동작하는 PN 접합소자 빛의강도를검출하는광검출기로사용 원리 : 빛에의하여캐리어의수가증가하고이로인하여전류가흐른다. 응용 : 거리의가로등을켤때 광전지의단점 ( 빛을받아기전력을발생하지만발생전압이낮다 ) 을보완하기위하여사용

45 (5) 광결합기 (Photo Coupler) LED 와포토감지기가한 package 로된소자 LED( 입력 ) 와포토감지기 ( 출력 ) 사이의유일한연결은광선만존재 = 수천 MΩ의절연저항존재 장점 : 입력과출력회로의전기적인절연된점

46 (6) Laser 다이오드 (Laser Diode) 간접성광을방출하는반면LED는비간접성광을방출 LED보다훨씬좁은파장대역에서동위상이고방향성이큰빛을방출 응용 : Compact Di나 Player의픽업시스템에응용

47 2.8 Other Types of Diodes (1) 버랙터다이오드 (Varactor Diodes) Varactor : 역방향으로바이어스된 PN접합의전압가변정전용량을말하는가변리액터 (reactor) PN접합의정전용량은역방향전압을바꿈으로서변화 커패시터와같은동작을하게된다. C = Aε/d A=PN 접합공핍층의단면적, d= 공핍층의두께

48 버랙터는공진회로에서가변콘덴서로동작함으로써공진주파수를가변전압에의하여조정 응용 : 라디오나 TV채널등의주파수선택을기계적으로가변컨덴서의손잡이를돌리지않고메모리에저장된주파수에따른자동선국방식의원리

49 (2) 정전류다이오드 Diode) (Current Regulator 제너다이오드와반대로동작 순방향바이어스 전류-안정형다이오드라하며다이오드의전압이변하여도전류를일정하게유지 부성저항 전류와전압이반비례할때

50 (3) PIN 다이오드 (PIN Diode) 진성반도체영역을갖는구성 ( 불순물을첨가시키지않는다.) 역방향바이어스 : 일정한커패시터처순방향바이어스 : 전류제어가변저항 순방향저항은전류증가에따라감소 응용 : 저항이전류의양에의하여제어되기때문에감쇠기의응용분야에사용

51 (4) 터널다이오드 (Tunnel Diode) 다량의불순물을첨가하여만든다. 부성저항영역 : B점에서순방향전압은전위장벽을만들기시작하고전류는순방향전압을증가시킴에따라감소하기시작하는영역 V-I 특성곡선의일부영역이부성저항특성을갖는 PN접합소자 응용 : 발진기, 마이크로파증폭기 RF = VF/ IF ( 옴의법칙과반대 )

52 (5) 계단 - 복구다이오드 (Step Recovery Diode) 반도체물질의도핑레벨이 PN접합에접근될수록줄어드는경시형도핑레벨을갖는다. 순방향에서역방향으로스위칭될때축적된전하를매우빨리방출함으로써전환시간을빠르게한다. 속도가매우빠르다 응용 : 고주파의빠른스위칭에이용

53 (6) IMPATT 다이오드,Gunn 다이오드 IMPATT : 부성저항을일으키게하기위한전자상태현상과시간지연등을이용한특수마이크로파다이오드로아주빠른속도를가지고있다. Gunn : 두개의금속도체사이에얇은 N 형의칼륨과비소화합물로접합된부성저항을갖은마이크로파소자이다.

54 2.9 Finding out Diode Polarity (1) 저항회로측정 (Register Measurement) => 멀티미터를이용할경우 (-) 단자에흑색리드, (+) 단자에적색리드, 영점조정을한후, 저항기의양쪽에테스터리드봉을대고지침이가리키는눈금을읽는다.

55 (2) 다이오드극성판별 Polarity) (Finding out Diode => 멀티미터를저항계로상용할경우흑색리드에서는 (+) 전압, 적색리드에서는 (-) 전압이나온다. 그러므로 Anode(P 형 ) 에흑색리드봉, Cathode(N 형 ) 에적색리드봉을접속하면순방향바이어스가되어수 Ω 정도가리킴 => 디지털멀티미터 (DMM) : 측정극성반대

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Microsoft PowerPoint - Ch3 Ch. 3 Special Purpose Diodes 3-4. 광학다이오드 (Optical diodes) 광학다이오드 광방출다이오드 (LED) : 빛을방출하는다이오드 광다이오드 (Photodiode) : 빛을검출하는다이오드 광방출다이오드 (LED: light emitting diode) 전계발광 (electroluminescence): 순방향바이어스 : n영역의자유전자