다이오드의 동작방식과 종류

 

1. 다이오드 동작방식

다이오드는 전기의 흐름을 한 방향으로 유도하는 전자 부품입니다. 이를 "능동 부품"이라고 하며 반도체의 기본 구성 요소입니다. 전기의 흐름을 조절하고 일정한 전압을 유지하며 전파에서 신호를 추출할 수 있습니다.

먼저 다이오드에 사용되는 "반도체"의 특성을 검토합니다. 물질은 전기를 전도할 수 있는지 여부에 따라 "도체", "반도체" 및 "절연체"로 분류됩니다. "반도체"는 이름에서 알 수 있듯이 전기를 전도하는 도체와 그렇지 않은 절연체의 특성을 가진 물질입니다.

 

 

 

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금속은 금속 원소가 서로 결합할 때 각 원자의 전자가 자유 전자가 되기 때문에 좋은 전기 전도체입니다. 전압이 가해지면 금속 결정 격자의 자유 전자가 움직이며 전하를 전달하여 전기가 흐를 수 있습니다.

 

반도체는 반도체를 통해 흐르는 전기의 방향에 따라 도체 또는 절연체로 작동할 수 있습니다. 금속 반도체에는 자유 전자가 풍부하지 않습니다. 전압이 가해지면 전자가 움직여 누락된 정공을 채우거나 더 적은 수의 자유 전자로 전기를 전달합니다.

반도체는 전기 흐름 메커니즘의 차이에 따라 p형 반도체와 n형 반도체로 나뉘는데, p형 반도체는 전자가 순차적으로 움직여 빠진 구멍을 메우는 반도체입니다.

 

 

 

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붕소나 갈륨과 같은 3가 첨가제와 혼합된 실리콘과 같은 4가 원소는 p형 반도체가 됩니다. p형 반도체는 전자보다 정공이 더 많아 전류가 정공에서 정공으로 흐를 수 있습니다. 전자가 하나도 없기 때문에 양전하를 띤 것으로 간주됩니다.

 

N형 반도체는 금속 결합보다 적은 수의 자유 전자로 전기를 전달합니다. 인과 같은 5가 첨가제와 혼합된 실리콘과 같은 4가 원소는 구조에 더 많은 전자를 제공하기 때문에 n형 반도체가 됩니다. 하나의 추가 전자가 있기 때문에 음전하를 띤 것으로 간주됩니다.

PN 다이오드에서는 p형 반도체에 연결된 전극을 양극(A)이라고 하고, n형 반도체에 연결된 전극을 음극(K)이라고 합니다. 

 

 

 

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n형(여분의 전자)과 p형(여분의 구멍) 반도체를 부착하면 n에서 p쪽으로 순간적인 전자의 흐름이 발생하여 둘 사이에 공백이 생깁니다. 따라서 PN 다이오드의 양극 측에 "-"를 연결하고 음극 측에 "+"를 연결하면 반도체의 전자가 양극 측에 끌어당겨지고 PN 접합에서 전기의 공백 영역이 생성됩니다. 따라서 회로에 전기가 흐르지 않습니다.

 

반대로 양극측에 "+", 음극측에 "-"를 연결하면 반도체의 "+"와 "-" 전하가 P, N 접합에서 서로 달라붙어 서로 상쇄되지만 전자는 음극에서 양극으로 이동하여 전기가 흐를 수 있습니다.

따라서 다이오드는 고정된 방향으로만 전기를 전도하는 특성을 가지고 있습니다. 발광 다이오드(LED)는 PN 접합을 통해 전기가 흐를 때 빛을 방출하도록 설계되었습니다. 다이오드는 일상 생활을 지원하는 다양한 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다.

 

 

 

 

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2. 다이오드의 역할

다이오드의 네 가지 주요 용도가 있습니다.

 

(1) 정류

일반 AC 전원 공급 장치에서는 전류의 방향이 항상 변경됩니다. 다이오드는 전기가 한 방향으로만 흐르도록 합니다. 따라서 순방향 전류만 AC 전류에서 추출됩니다. 이것은 다이오드의 정류 작용으로 알려져 있습니다.

 

(2) 전파 검출

다이오드는 전파에서 오디오 신호를 추출하는 역할을 합니다. 이를 웨이브 감지라고 합니다. 전파는 통신에 사용되는 고주파 신호와 음성과 같은 저주파 신호를 결합하여 생성됩니다.

 

(3) 전압 제어

일반적으로 다이오드는 한 방향으로만 전류를 전달합니다. 그러나 반대 방향의 전압이 일정 값을 초과하면 전류가 흐르기 시작합니다. 그러나 역방향의 전압이 일정 값을 초과하면 전류가 흐르기 시작하고 전류가 증가해도 전압은 변하지 않습니다. 이것을 항복 현상이라고 하며, 항복 현상이 발생하는 전압을 "항복 전압" 또는 "제너 전압"이라고 합니다. 이 현상은 다이오드 전압 제어에 사용되며 이러한 목적으로 사용되는 다이오드를 제너 다이오드라고 합니다.

 

(4) 전류 변환

빛이 PN 접합에 부딪히면 접합 근처의 N 쪽에 있는 전자가 움직입니다. 결과적으로 빛이 비치는 한 전기는 계속 흐릅니다. 이것이 태양 전지의 원리입니다.
외부에서 전압이 가해지지 않으면 배터리 역할을 하지만 전압이 가해지면 다이오드 역할을 합니다. 일부 다이오드는 가시광선에 반응하는 반면 다른 다이오드는 적외선 리모컨의 수광 부분과 같은 응용 분야에서 보이지 않는 빛에 반응합니다.

 

 

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3. 다이오드의 종류

다양한 유형의 다이오드가 있습니다. 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

 

1) 실리콘 다이오드

PN 다이오드의 가장 일반적인 유형. 가장 자주 정류 다이오드라고 합니다.

 

2) 게르마늄 다이오드

실리콘 다이오드와 유사하게 이 다이오드는 PN을 결합합니다. 특히 전류 흐름이 0.1mA만큼 작은 영역에서 순방향 강하 전압이 낮기 때문에 파동을 감지하는 데 자주 사용됩니다. 그러나 쇼트키 배리어 다이오드는 게르마늄의 높은 비용 때문에 현재 널리 사용됩니다.

 

3) 쇼트키 다이오드

이 다이오드는 금속과 반도체를 접합하여 제작됩니다. 이 다이오드는 실리콘 다이오드에 비해 우수한 스위칭 특성을 가지므로 고속 회로에 사용됩니다.

 

4) 스위칭 다이오드

이 다이오드는 스위치와 같은 전원 회로를 열고 닫습니다. 전압이 전력이 흐르는 방향으로 인가되면 ON되고, 역방향으로 전압이 인가되면 OFF됩니다.

 

5) Esaki 다이오드

이 다이오드는 노벨상 수상자인 레오나 에사키(Leona Esaki)가 발견한 터널링 효과를 활용합니다. 터널링 효과는 불순물 농도가 높은 PN 접합 다이오드의 특성으로 양자 역학적 효과로 인해 전류가 흐를 수 있습니다. 응답 시간이 매우 빠르기 때문에 마이크로파를 생성하는 데 사용됩니다.

 

6) 발광 다이오드(LED)

이 다이오드에서 접합부는 전류가 PN 접합을 통해 흐를 때 빛을 방출합니다. 반도체를 통해 전기가 흐르면 p형 반도체의 정공과 전자가 결합되어 에너지가 빛으로 방출됩니다. 때로는 전원과 정류기로 모두 사용됩니다.

 

7) 제너 다이오드

이 다이오드는 전류가 정상적으로 흐르는 방향과 반대 방향으로 전압을 인가하는 데 사용됩니다. 일정한 전압을 얻고 과전압으로부터 회로를 보호합니다.