다이오드의 종류(Schottky, Zener diode, CRD 등)

▲다이오드란 무엇인가?

▲다이오드

 

 다이오드는 전기적으로 양방향 전류를 통과시키지 않는 반도체 소자입니다. "다이오드"라는 용어는 "두 개의 전극"을 의미하는 그리스어인 "디오드"에서 유래되었습니다. 다이오드는 양방향 전류의 흐름을 제어하여 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있도록 합니다.

다이오드는 P-N 접합이라고 불리는 두 개의 반도체 소자로 구성되어 있습니다. P-N 접합은 양극성 (P)과 음극성 (N)의 반도체를 접합시킨 것을 말합니다. P-N 접합에서는 P층의 과잉 전하와 N층의 부족 전하가 만나 전극 간의 전위차를 형성합니다.

다이오드의 동작 원리는 다음과 같습니다. P-N 접합에서는 양극성 반도체인 P층에는 "도너"라고 불리는 자유 전자가 많이 존재하고, 음극성 반도체인 N층에는 "홀"이라고 불리는 자유 전자가 많이 존재합니다. 이때, P층의 도너와 N층의 홀이 만나면 상호 결합하여 전하를 상쇄시킵니다. 이 과정에서 전위차가 발생하며, 이를 "정방향 전압"이라고 합니다.

정방향 전압이 인가되면 다이오드는 전류를 통과시키는데, 이때는 전류가 P층에서 N층으로 흐릅니다. 그러나 반대로 N층에 양방향 전압이 인가되면 다이오드는 전류를 차단하게 되어 전류가 통과하지 않습니다. 이를 "역방향 전압"이라고 합니다.

따라서, 다이오드는 전류의 방향을 제어하여 교류를 직류로 변환하거나, 전류의 흐름을 특정 방향으로 제한하는 역할을 수행합니다. 다이오드는 전자기기, 전력 변환, 통신, 조명 등 다양한 분야에서 사용되며, 전기 회로에서 중요한 소자로 여겨집니다.

▲다이오드의 종류

 

 다이오드는 매우 다양하게 회로 분야에서 사용되고 있습니다. 그 종류는 일반 다이오드(diode), 정전압 다이오드(Zener diode), 정전류 다이오드(Current limiting diode), 쇼트키 다이오드(schottky diode)등이 있습니다.

제너 다이오드(Zener diode)

▲제너 다이오드 특성 그래프

 

제너 다이오드 (Zener diode) 는 다이오드의 한 종류로, 역방향 전압에 대한 특정한 전압 값을 유지하도록 설계된 반도체 소자입니다. 제너 다이오드는 PN 접합 다이오드와는 달리 역방향 전압에서도 특정한 전압 값을 유지하며 동작합니다.

제너 다이오드(Zener diode) 는 역방향 전압이 일정한 값을 초과할 때, 전류를 제한하고 전압을 일정한 값으로 유지합니다. 이러한 특성은 제너 다이오드(Zener diode) 를 전압 안정화 장치로 사용할 수 있게 해줍니다. 또한 제너 다이오드(Zener diode) 는 주로 전원 공급 회로나 전압 조절 회로에서 사용되며, 안정화된 전압을 제공함으로써 다른 소자들이 안정적으로 동작할 수 있도록 합니다.

제너 다이오드(Zener diode) 는 다양한 전압 값과 전력 등급으로 제공되며, 이를 통해 다양한 전압 안정화 요구에 맞춰 선택할 수 있습니다. 또한, 전압 안정화 기능 외에도 전류 제한, 보호 등의 역할을 수행할 수 있습니다.

1. 제너다이오드 장점

 - 낮은 전압 : 낮은 전압을 가지고 있어 전압 강하가 작아지고, 따라서 전력 손실이 감소함
 - 정확한 전압 레귤레이션:  상대적으로 안정된 정향 전압을 유지하는 경향이 있어 정확한 전압을 유지하는데 효율적임
 - 온도 안정성 :  온도에 대해 상대적으로 안정적인 특성을 가지고 있어 다양한 환경 조건에서도 일관된 성능을 유지할 수 있게 해줌
 - 다양한 패키지 및 크기 :  다양한 패키지와 크기로 제공되어 다양한 응용에 적용될 수 있어 설계자들이 공간 및 레이아웃 요구 사항에 따라 선택할 수 있는 유연성을 제공
 - 장기 안정성 : 오랜 기간 동안 안정된 성능을 유지할 수 있어 장기적으로 안정된 전압 레귤레이션이나 신뢰성이 뛰어남

2. 제너다이오드 단점

- 높은 역방향 전류 : 역방향 전류가 비교적 높은 편임 이는 역방향으로 흐르는 전류가 상대적으로 크다는 것을 의미하며, 일부 응용에서는 역방향 전류를 제어해야 하는데 어려움이 있음
- 높은 역전압 허용 한계 : 높은 역전압을 허용하지 않음 따라서 고전압 응용에서 사용하기에는 적합하지 않음
- 높은 역전압 효과의 변화 : 역전압이 커질수록 특성이 크게 변화하는 특성이 있어 역전압이 상승함에 따라 다이오드의 특성이 예측하기 어려워짐
- 고주파 응용에서의 한계 :  고주파 응용에서는 성능이 떨어질 수 있음 따라서 고주파 응용에 적합한 다이오드를 찾아야 하는 문제가 있음

정전류 다이오드(Current limiting diode)

 

▲P22-23-CRD 정전류 다이오드 특성곡선

 

정전류 다이오드(Current limiting diode) 는 CRD라고 흔히 부르는데 전류의 크기를 제한하는 역할을 하는 반도체 소자입니다. 정전류 다이오드는 일반적인 다이오드와는 조금 다른 동작 특성을 가지고 있습니다. 

정전류 다이오드(Current limiting diode)는 특정한 전류 값에서 전압을 일정하게 유지하는데, 이를 통해 전류의 크기를 제한하고 제어할 수 있습니다. 일반적으로 Zener 다이오드와 유사한 역할을 합니다. 전압과 관계없이 일정한 전류를 흘리기 때문에 전류제한 저항이 필요없거나 정전류회로가 필요없어 회로가 간단해지는 장점이 있습니다. 하지만 가격이 비교적 고가이기 때문에 상용화 적용에는 무리가 있는 소자입니다.

1. 정전류 다이오드(Current limiting diode) 장점

- 과전류 보호 : 과다한 전류가 흐를 때 이를 제한하고 장치를 보호합니다. 이는 단락이나 단락 상태에서 발생하는 과전류로부터 장치를 보호함
- 단순한 회로 구성 :  별도의 전류 제어 회로를 구성하지 않고도 과전류 보호가 가능함
- 빠른 반응 속도 : 과전류 상태에서 빠르게 반응하여 회로 보호가 가능함
- 낮은 전압 강하 :  전류가 흐를 때 전압 강하가 낮은 특성을 가지고 있어 전원 회로에서의 전압 손실을 최소화 할 수 있음

2. 정전류 다이오드(Current limiting diode) 단점

- 고가 및 제한된 성능 범위 : 전류 제한 다이오드는 비용이 높다는 단점이 있음 특정 전류 범위 내에서만 효과적으로 작동하므로, 다양한 전류 요구 사항이 있는 응용에는 제한이됨
- 열 문제 : 과전류를 제한하기 위해 일부 전력을 소비하므로, 이는 열에너지로 변환됨 특히 고전류 응용에서는 열 문제가 더 커질 수 있어 적절한 열 관리가 필요함
- 전류 제한 값의 변경 어려움 : 제한된 범위에서만 조절이 가능하며, 원하는 특정 전류 값으로의 조절이 어려움

쇼트키 다이오드( Schottky diode )

 

 

쇼트키 다이오드(Schottky diode)는 전기적으로 연결된 두 개의 단자를 갖는 반도체 소자입니다. 이 다이오드는 정상적인 방향에서는 전류가 흐르지 않지만, 역방향으로 연결될 경우에는 전류가 흐릅니다. 이로 인해 쇼트키 다이오드는 역방향 전압에 대한 보호 기능을 제공하고, 전류의 흐름을 특정 방향으로 제한하는 역할을 합니다.

쇼트키 다이오드(Schottky diode) 는 주로 고주파 회로에서 사용되며, 정류기로서의 역할을 수행합니다. 즉, 역방향 전압이나 역전류가 발생할 경우에는 전류의 흐름을 차단하여 다른 소자들을 보호합니다. 또한, 쇼트키 다이오드는 저손실과 빠른 스위칭 속도를 가지고 있어서 고주파 신호 처리에 효과적으로 사용됩니다. 특히, 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 는 전압 강하가 낮아서 작동 전압이 상대적으로 낮아 전력 손실을 최소화하고 효율적인 에너지 변환을 가능하게 합니다.

1. 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 장점

- 빠른 스위칭 속도 :  전압이 낮을 때도 낮은 전압 강하(Voltage Drop)를 제공하여 손실을 최소화하고 효율을 향상시킬 수 있음
- 낮은 역전류 : 역전류(Reverse Current)가 낮은 특성을 가지고 있어 역방향 전류로 인한 손실을 줄여줌
- 작은 스위칭 손실 : 스위칭 손실은 스위칭 동작 중 발생하는 전력 손실을 의미하며 쇼트키 다이오드는 스위칭 손실이 효율성이 높음
- 높은 작동 주파수 : 고주파 응용에서 사용하기에 적합하며, 높은 주파수에서도 효과적으로 작동할 수 있음

2. 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 단점

- 열 안정성 : 쇼트키 다이오드는 높은 온도에서는 역전류가 증가하고, 이는 전압 강하 및 손실의 증가로 이어짐
- 저전압 특성 :  전압이 낮을 때 더 효과적으로 작동함 높은 전압 응용에서는 전압 강하가 커질 수 있음