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Ch.

3. 다이오드

• 2 - 3-1 다이오드

• 접합 다이오드의 단자 특성을 실험을 통해 이해한다.
• PN junction Diode의 물리적인 구조를 이해하고 다이오드 특성 곡선

• 실험을 통해 I-V 특성 곡선을 구성하고 이해한다.

1. pn 접합 다이오드

(a) (b) Fig. 3-1 pn 다이오드의 간단한 구조와 기호 반도체 다이오드는 기본적으로 pn접합이다. p형 반도체와 n형 반도체가 Fig. 3-1 (a) 와 같이 원자 구조적으로 결합된 것을 pn접합이라고 한다. p와 n영역 모두 동일한 실리 콘 결정의 일부분이다. 즉, pn접합은 하나의 단일 실리콘 결정 내에 서로 다른 “도핑 (doping)" 영역 (p와 n영역)을 만듦으로써 형성된다. p형 반도체와 n형 반도체를 접합 하면 두 반도체 사이의 자유전자와 정공 캐리어의 농도 차이에 의하여 각각의 반도체 영역에서 다른 영역으로의 확산(diffusion)이 일어난다. p 및 n 영역과 외부 도선들 (즉, 다이오드 단자들)과의 접속은 금속(알루미늄) 접촉을 통해 이루어진다. 다이오드의 플러스 단자를 애노드(anode), 그리고 마이너스 단자를 캐소드(cathode)라 고 부른다. 이렇게 부르는 이유는 진공관 다이오드로부터 그 이름이 유래됐기 때문이다. 접합 다이오드의 정상적인 응용에서, 전류는 애노드로 흘러 들어가며, 애노드는 캐소드 보다 더 높은 전위를 가진다. 다이오드의 도식적 기호는 전류의 흐름 방향과 같이 애노드에서 캐소드 쪽으로의 화살 표식으로 나타낸다. 또한 대부분의 다이오드에서 두 단자의 식별을 쉽게 하기 위해 캐 소드쪽에 막대 표시를 한다. 화살표 모양의 방향을 이해하고 역방향인지 순방향인지를 파악해야 한다.

2. pn 접합 다이오드의 바이어스

3. 다이오드

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Fig. 3-3 순방향으로 동작할 때의 등가 회로 순방향 바이어스(forward bias)란 pn접합 다이오드를 통해 전류를 흘리는 조건이다. 순방향 바이어스의 첫 번째 조건은 외부 바이어스 전압의 (+)쪽은 pn접합 다이오드의 p영역에, (-)쪽은 n영역에 연결해야 하고, 두 번째 조건은 바이어스 전압의 크기가 다이 오드의 장벽전위, 즉 실리콘의 경우 0.7[V]보다 커야한다. 만일 플러스의 전류가 다이오드에 가해진다면, 0V의 전압 강하가 다이오드 양단에 나 타날 것이다. 바꿔 말하면, 다이오드가 순(forward)방향으로 동작할 때는 전압 강하는 없고 전류만 흐르는 단락 회로처럼 동작할 것이다. 이 때 우리는 순방향-도통 다이오드 가 도통(turn on)되었다고 말한다.

pn접합 다이오드에 전원을 연결하면 n형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 n에서 p로, p형의 다수 캐리어인 정공은 p에서 n으로 이동하여 많은 전류를 형성시키는데, 이와 같 이 전원의 (-)극을 p형에 (+)극을 n형에 접속하는 방법을 역방향 바이어스(reverse bias)라 하며 이 경우에는 pn 접합 다이오드는 개방 스위치와 같이 동작한다. Fig. 3-4. 역방향으로 동작할 때의 등가회로 만일 Fig. 3-1에 표시된 기준 방향(왼쪽에서 오른쪽으로의 방향)에 대해 마이너스의 전압이 다이오드에 가해진다면, 전류는 흐르지 않을 것이고 다이오드는 개방 회로처럼 동작할 것이다. 다이오드가 이 모드에서 동작 할 때, 우리는 다이오드가 역바이어스 (reverse-bias)되었다고 말한다. 이상적인 다이오드는 역방향으로 동작할 때 0A의 전류 를 흘리며, 우리는 이 때 다이오드가 차단(cut off)되었다고 말한다. 사실 p영역에서는 소수 캐리어로서 약간의 자유전자가 존재하고 n영역에도 소수 캐리 어로서 약간의 정공이 존재하고 있다. 이러한 소수 캐리어는 순방향 바이어스의 경우와 같이 공핍층 속을 통과해서 반대 측의 영역으로 이동할 수 있기 때문에 아주 작은 전류 가(1[㎂] 이하) 흐르는데 이것을 역방향 전류(reverse current)라고 한다. 통상 역방향 전류는 너무 적기 때문에 무시할 수 있다.

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3. 다이오드의 I-V 특성곡선

Fig. 3-2의 다이어드 I-V특성곡선은 그 양단에 전압을 인가하였을 때 다이오드에 흐 르는 전류가 얼마인가를 측정한 그래프이다. 다이오드를 순방향으로 바이어스시키면 PN접합의 전위장벽에 해당하는 전압, 즉 Ge≃ 0.3[v], Si≃0.7[v]가 될 때까지는 전류가 거의 흐르지 않다가 이 전압 이상의 바이어스 가 걸리면 급작스럽게 증가한다. 이 순방향 바이어스전류는 다이오드 내부저항에 의해 제어되어 비선형적인 특성을 나타낸다. 순방향 바이어스를 인가한 경우 전류가 급증하는 점의 전압을 컷인(cut-in) 전압이라 부른다. 한편, 다이오드를 역방향으로 바이어스시키면 역방향전류는 거의 흐르지 않는 다. 그러나 큰 역방향전압이 인가되면 절연파괴가 일어나 전류사태현상이 발생하여 과도한 전류가 발생하며 다이오드는 항복(breakdown)현상을 나타내게 되는데, 이때는 다이오 드가 파손될 우려가 높다. 이 같은 항복 현상이 발생되는 점의 역방향전압을 다이오드의 제너점이라 부른다.

1) 정류용 다이오드(Rectifying Diodes)

형명 내전압 VRPM^ 전류용량 IO 형명 내전압 VRPM^ 전류용량 IO

1N60 35[V] 50[mA] 1K88FM 40[V] 150[mA] 1N4001 50[V] 1[A] RU05 50[V] 2[A] 1N4002 100[V] 1[A] SNH05 50[V] 2[A] 1N4003 200[V] 1[A] U05B 100[V] 2.5[A] 1N4004 400[V] 1[A] GP30D 200[V] 3[A] 1N4005 600[V] 1[A] GP30G 400[V] 3[A] 1N4006 500[V] 1[A] GP30J 600[V] 3[A] 1N4007 1000[V] 1[A] GP30B 100[V] 3[A] 1N5400 50[V] 3[A] GP30M 1000[V] 3[A] 1N5403 200[V] 3[A] P600B 100[V] 6[A] 1N5404 400[V] 3[A] P600D 200[V] 6[A] 1N5406 600[V] 3[A] P600G 400[V] 6[A] 1N5408 100[V] 3[A] P600J 600[V] 6[A] 6A2 200[V] 6[A] P600K 800[V] 6[A] 6A10 1000[V] 6[A] P600M 1000[V] 6[A] GR30K 800[V] 3[A] Q19G 600[V] 20[A] S15D 300[V] 10[A] Q20G 600[V] 20[A] S19G 800[V] 10[A] Q20L 1000[V] 20[A] S20G 600[V] 10[A] R4100440 400[V] 40[A] S19L 1000[V] 10[A] R4100840 800[V] 40[A] S20L 1000[V] 10[A] R4110440 400[V] 40[A] S11B 100[V] 15[A] R4110840 800[V] 40[A] S12B 100[V] 15[A] R4140470 400[V] 70[A] Q09 100[V] 20[A] R4150470 400[V] 70[A] Q10 100[V] 20[A] R4150870 800[V] 70[A] Q19L 1000[V] 20[A] R4140870 800[V] 70[A]

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④ Fig. 3-6 (a)의 회로를 구성하여 +6V의 전압을 공급하라.

⑧ Fig. 3-6 (b)와 같이 다이오드의 극성을 바꾸어 ⑤~⑦을 반복하고 결과표 5-3에 기 록하라. (a) (b) Fig. 3-6 다이오드의 스위칭 ⑨ 다이오드를 사용하여 Fig. 3-7 (a)에 주어진 회로를 구성하라.

 전원전압을 0[V]부터 바꾸어가면서 결과표 5-4에 주어진   의 각 값에 대한 다

 위의 다이오드를 사용하여 Fig. 3-7 (b)에 주어진 회로를 구성하라.

(a) (b) Fig. 3-7 다이오드 순방향, 역방향 특성 실험

 표 5-3의 데이터로부터 다이오드의 I-V특성곡선을 그려라.

3. 다이오드

• 8 - 실험 예비 보고서

1. 제목 pn 다이오드

2. pn접합 다이오드의 물리적 구조 정리

3. 다이오드 회로를 구성하고 i-v 특성 곡선을 Pspice simulation하시오.

<회로도>

3. 다이오드

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5. 다이오드 I-V 특성곡선

3-2 반파 정류기와 전파 정류기

• 다이오드를 이용한 반파 정류기와 전파 정류기를 실험을 통해 구현하

• 구성된 정류기의 감쇄 및 위상 특성을 확인한다.

Fig. 3-8 (a) 반파정류기 (b) 다이오드를 그것의 구분적-선형 모델로 대체한 반파 정류기의 등가 회로. (c) 정류기 회로의 전달 특성 (d) ≪R로 가정했을 때의 입력 파형과 출력 파형

(a) 회로도 (b) 다이오드를 정전압-강하 모델로 가정하여 구한 전달 특성 (c) 입력 파형과 출력 파형 Fig. 3-9 중간-탭 2 차 권선을 가진 변압기를 이용한 전파 정류기 여기서, 변압기 2 차측 권선의 두 절반에 동일한 두 전압 를 그림에 보인 극성으로 나타나게 하기 위해, 변압기 2 차측 권선에 중간 탭(center tap)이 설정되어 있는 점에 주목하기 바란다. 따라서, 입력선 전압(1차측을 구동하고 있는)이 플러스일 때, 로 표 시된 두 신호들 역시 플러스일 것이다. 이 경우, D1은 차단될 것이고, D2는 도통될 것 이다. D2에 의해서 전도된 전류는 R을 거쳐 중간 탭으로 되돌아올 것이다. 따라서, 마 이너스 반주기 동안에도, 회로는 다이오드 D2가 전류를 전도하는 것을 제외하고는 반 파 정류기처럼 동작할 것이다. 그러나, 여기서 중요한 점은 R을 통해 흐르는 전류가 항상 같은 방향으로 흐른다는 것 이다. 따라서 는 Fig. 3-9 (c)에 보인 것처럼 단극성이 될 것이다. 그림에 보인 출력 파형은, 도통된 다이오드가 일정한 전압 강하 를 가진다는 가정하에서 구한 것이다. 바꿔 말하면, 설명을 간단하게 할 목적으로 다이오드 저항 의 영향을 무시했다. 따라 서 전파 정류기의 전달 특성은 Fig. 3-9 (b)에 나타낸 형태를 취할 것이다.

1. Pspice 실습 위의 내용으로부터 우리는, 전파 정류기가 반파 정류기에 의해서 제공되는 것보다 더 큰 “에너지를 갖는” 파형을 제공한다는 것을 분명히 알 수 있게 된다. 그리고 이것이 거의 모든 정류기의 응용에서 전파 정류기가 선택되는 이유이다. 전파 정류기 회로에서 다이오드의 PIV를 구하기 위해, 플러스 반주기 동안의 상황을 고찰해 보자. 이 때, 다이오드 D1은 도통되고, D2는 차단되므로, D2의 캐소드 전압은 이고, 에노드 전압은 이다. 따라서 D2의 역바이어스는, 가 피크값 즉 ( )에 있고 가 피크값 즉 에 있을 때 최대가 될 것이다. 따라서 (3-4) 이고, 이는 반파 정류기의 PIV의 약 두 배에 해당한다.

3. 예비 보고 사항 (Pspice simulation)

① Fig. 3-8 (a)과 같이 입력 신호 전압 를 피크값이 10V이고 주파수가 60Hz인 사 인파, R=10k인 반파 정류회로를 구성하고 결과파형을 확인하시오. ② Fig. 3-9 (a)와 같은 전파 정류회로를 구성하고 결과파형을 확인하시오. ③ Simulation 결과와 이론치를 비교 하시오.

트랜서포머 : 중간탭 12[V],24[V]

전압계, 오실로스코프 (프로브 2), 다이오드 1N914 2 개,

저항 10kΩ 1 개, 220 Ω 1 개

1. Pspice 실습 <반파정류기> <전파정류기> 실험 예비 보고서

3. Pspice Simulation Result

4. Simulation 결과와 이론치 비교

실험 결과 보고서

CH1: V/Div CH2: V/Div M: sec/Div

2. 반파정류기 (역방향) CH1: V/Div CH2: V/Div M: sec/Div