다이오드는 거의 모든 전자 장치에 사용되는 2단자 반도체 부품입니다. 터널, 쇼트키, 제너, LED, PIN, 역방향, 레이저, 버랙터, 건, 바릿 등과 같은 요구 사항에 따라 사용되는 다양한 유형의 다이오드가 시장에 나와 있습니다. 따라서 역방향 다이오드는 역 바이어스 모드에서 작동하는 다이오드 유형 중 하나입니다. 이 다이오드는 터널 다이오드 또는 제너 다이오드의 변형으로, 순방향 바이어스 전압보다 역방향 바이어스가 거의 없는 경우 전도성이 우수합니다.
1. 역방향 다이오드란?
역 바이어스 모드에서 작동하는 다이오드는 역방향 다이오드 또는 백 다이오드로 알려져 있습니다. 주로 터널 다이오드 및 제너 다이오드 내의 변동 및 설계 특성을 제공하도록 설계된 PN 접합 다이오드의 일종입니다. 이 다이오드는 한 방향으로만 작동하기 때문에 일방적인 장치입니다. 이 다이오드는 Zener & Tunnel 다이오드와 비교하여 동일한 작동 기능을 갖지만 작동 전압이 훨씬 낮습니다.
역방향 다이오드 기능은 0.1V에서 0.6V 범위의 저전압 신호를 정류하는 것입니다. 이 다이오드는 빠른 스위칭 속도로 인해 멀티플라이어 및 RF 믹서 내에서 스위치로도 사용할 수 있습니다. PN 접합 다이오드처럼 보이는 역방향 다이오드 기호는 아래와 같습니다. 그러나 PN 접합과 비교하여 양극 측(P형)은 동일하지만 음극측(N형)은 바가 약간 변형됩니다.
2. 역방향 다이오드 구조
이 다이오드의 구성은 한쪽 접합면은 가볍게 도핑되는 반면 다른 쪽은 크게 도핑되기 때문에 빛의 도핑 농도를 제외한 터널 다이오드와 유사합니다. 이 다이오드는 순방향 바이어스 내에서 PN 접합 다이오드와 유사하게 작동하도록 밸런스 및 전도 대역을 정렬하는 데 도움이 됩니다. 순방향 바이어스에서는 터널 전류나 양자 터널링이 없는 반면 역 바이어스에서는 거대한 터널 전류가 공급됩니다. 양자 터널링이 역 바이어스에서만 발생하면 전도도가 향상되고 임피던스가 낮아 역방향 다이오드로 명명됩니다.
1) 동작방식
역방향 다이오드는 단순히 양자 터널링 원리에 따라 작동합니다. 양자 터널링은 파동 함수가 잠재적 장벽을 통과할 수 있는 모든 곳에서 양자 역학적 방법입니다. 따라서 잠재적인 장벽을 통하여 전송은 고쳐질 수 있고 장벽 고도 & 폭에 기하급수적으로 달려 있습니다.
이 다이오드 작동은 역 바이어스에서 발생하는 터널링을 제외하고는 터널 다이오드와 유사합니다. 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스에서 일반적인 PN 접합 다이오드로 작동합니다. 순방향 바이어스에 비해 전류 전도가 더 우수합니다. 따라서 이 다이오드 작동은 다른 바이어싱 내에서 에너지 대역 다이어그램의 도움으로 간단하게 설명할 수 있습니다.
2) 언바이어스 상태
이 상태의 역방향 다이오드는 전원에 연결되어 있지 않습니다. 따라서 전도대의 에너지 수준은 원자가 대역에 비해 높습니다. 처음에 전자는 원자가 밴드 내에 존재합니다. 충분한 에너지를 얻으면 구멍을 남겨 전도대로 이동합니다.
이 상태에서는 원자가와 전도대가 서로 상당히 멀리 떨어져 있기 때문에 전류 전도가 없습니다. 양자 터널링을 위한 P-type 및 N-type의 원자가 및 전도 대역은 유사한 수준에 있어야 합니다.
3) 순방향 바이어스 상태
이 바이어싱의 양극은 백 다이오드의 높은 전위에 연결되는 반면 음극은 낮은 전위에 연결됩니다. 이 다이오드는 PN 접합 다이오드와 유사하게 작동하므로 인가된 전압이 특정 한계를 넘을 때까지 작동하지 않습니다. P형에서 대부분의 전하 운반체는 정공이고 N형에서는 전자입니다. 적용된 전위로 인해 전자와 같은 전하 캐리어는 에너지를 얻고 N형 층의 전도대에 존재하는 반면 정공은 p형 층의 원자 밴드 내에 존재합니다.
이 바이어싱의 다이오드는 일반 다이오드로 작동하며 전류의 흐름은 대부분의 전하 캐리어 때문입니다. 전자는 N형 층에서 P형 층으로 흐르는 반면 정공은 P형에서 N형으로 이동합니다. 에너지 밴드의 다이어그램에 따르면, 등가층의 두 밴드 사이의 갭은 감소하고 전자는 밴드 갭을 건너기에 충분한 에너지를 얻습니다.
4) 역 바이어스 상태
이 바이어스 조건의 양극은 단순히 다이오드의 낮은 전위에 연결되는 반면 음극은 높은 전위에 연결됩니다. 일반적으로 양자 터널링이 발생하는 모든 곳에서 이 모드에서 사용됩니다.
위의 에너지 대역 다이어그램에 따르면 두 층의 두 대역 사이의 간격은 역전압 적용으로 인해 증가합니다. 그러나 밴드 갭 내의 증가와 높은 도핑 농도로 인해 N형 반도체의 전도대와 p형 반도체의 가전자대는 유사한 에너지 수준에서 떨어집니다. 따라서 전자는 양자 터널링이라고 하는 접합을 통해 쉽게 흐릅니다.
3. 역방향 다이오드 V-I 특성
역방향 다이오드의 VI 특성은 다음과 같습니다. 이 특성은 장치 전체의 전류와 전압 사이의 주요 관계를 보여줍니다. 이 특성에서 x축은 양단의 전압을 의미하고 y축은 전체전체의 전류를 의미합니다.
역방향 다이오드의 전압-전류(VI) 특성은 일반 다이오드의 특성과 비교하여 고유합니다. 다이오드를 통해 흐르는 전류를 다이오드에 적용된 전압에 대해 플로팅할 때 역방향 다이오드의 VI 특성은 특히 역 바이어스 작동 모드에서 뚜렷한 동작을 나타냅니다.
1) 순방향 바이어스 영역
- 순방향 바이어스 모드에서 역방향 다이오드는 일반 다이오드처럼 동작합니다. 매우 적은 저항으로 전류가 흐를 수 있으며 VI 특성은 표준 다이오드와 유사한 패턴을 따릅니다. 순방향 전압이 증가함에 따라 다이오드를 통과하는 순방향 전류가 기하급수적으로 증가하여 정상적인 다이오드 동작을 나타냅니다.
2) 역 바이어스 영역
- 일반 다이오드 특성에서 가장 큰 편차는 역 바이어스 영역에서 발생합니다. 일반 다이오드처럼 눈사태 파괴를 경험하는 대신 역방향 다이오드는 양자 터널링 효과로 인해 음의 저항 영역을 나타냅니다.
음의 저항 영역에서 VI 곡선은 역전압이 증가함에 따라 역전류가 감소함을 보여줍니다. 이것은 일반 다이오드에서 발생하는 것과 반대이며, 애벌랜치 항복 중에 역전압이 증가함에 따라 역전류가 기하급수적으로 증가합니다.
네거티브 저항 영역은 역방향 다이오드의 VI 특성의 핵심 기능입니다. 이를 통해 다이오드는 역방향 바이어스로 전류를 전도할 수 있으므로 특정 응용 분야, 특히 고주파 발진기, 마이크로파 생성 및 파라메트릭 증폭과 관련된 응용 분야에 유용합니다.
역 항복 지역:
- 역전압이 특정 임계값 이상으로 증가하면 역방향 다이오드는 결국 역전류가 급격히 증가하는 항복 영역으로 들어갑니다. 이 영역은 음의 저항 영역과 다르며 눈사태 파괴를 겪을 때 일반 다이오드에서 볼 수 있는 동작과 비슷합니다.
역방향 다이오드의 VI 특성은 순방향 바이어스 모드에서 일반적인 다이오드 동작을 보여주지만 양자 터널링 효과로 인해 역방향 바이어스 모드에서 고유한 음의 저항 영역을 나타냅니다. 따라서 역방향 다이오드는 음의 저항과 고유한 전기적 특성이 필요한 특정 응용 분야에서 중요한 구성 요소입니다.
4. 역방향 다이오드의 양자 터널링
역방향 다이오드의 양자 터널링 현상은 P형과 N형 반도체 재료 사이의 접합부에서 발생합니다. 다이오드가 역 바이어스 상태일 때 공핍 영역이 넓어지면서 N 영역에서 P 영역으로 교차하려는 전하 캐리어(전자)에 대한 잠재적 장벽이 생성됩니다.
그러나 양자 수준에서 전자의 파동과 같은 특성으로 인해 전자가 이 잠재적 장벽을 극복할 수 있는 고전적 에너지가 부족하더라도 이 잠재적 장벽을 통과할 수 있는 확률은 0이 아닙니다. 즉, 일부 전자는 주변 전기장에서 에너지를 "차용"할 수 있으며 장벽을 고전적으로 극복할 수 있는 충분한 에너지 없이 장벽의 반대쪽(이 경우 P 영역)에 나타날 수 있습니다.
이러한 전자가 장벽을 통해 터널을 뚫고 P 영역에 도달하면 역전류 흐름에 기여합니다. 이 터널링 효과는 역방향 다이오드의 VI 특성에서 음의 저항 영역을 생성합니다. 역전압이 증가함에 따라 장벽을 통해 터널을 뚫는 전자의 수가 증가하여 역전류가 감소합니다.
이 음의 저항 영역의 존재는 역방향 다이오드를 일반 다이오드와 구별하는 것이며, 역방향 바이어스 하에서 애벌런치 항복 중에 역전류가 기하급수적으로 증가합니다.
5. 역방향 다이오드의 장단점
역방향 다이오드의 장점은 다음과 같습니다.
- 역방향 다이오드는 높은 도핑 농도로 인해 접합 커패시턴스가 낮습니다.
- 이 다이오드는 접합 정전 용량이 낮기 때문에 스위칭 속도가 높습니다.
- 온도 영향은 다이오드의 전기적 특성에 낮습니다.
- 역방향 다이오드는 낮은 잡음을 생성합니다.
- 역방향 다이오드는 매우 낮은 전압에서 작동합니다.
- 역방향 다이오드는 효율이 더 높습니다.
- 역방향 다이오드 감도는 실리콘 및 게르마늄 재료 모두에 대해 -0.1mV/0C입니다.
역방향 다이오드의 단점은 다음과 같습니다.
- 역방향 다이오드는 역 바이어스 모드에서만 작동합니다.
- 역방향 다이오드는 터널링 효과가 낮기 때문에 터널 전류가 낮습니다.
- 역방향 다이오드는 매우 작은 공핍 영역과 낮은 접합 정전 용량을 가지고 있습니다.
- 역방향 다이오드는 고전압에 저항할 수 없습니다.
- 역방향 다이오드는 < 0.6v 전압에만 적합합니다.
역방향 다이오드의 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 역방향 다이오드는 무선 수신기 회로 내에서 최대 40GHz 주파수를 감지하는 감지기로 사용됩니다.
- 역방향 다이오드는 뛰어난 신호 성능을 제공하는 멀티플라이어 또는 RF 믹서의 스위치로 사용됩니다.
- 역방향 다이오드는 0.1 – 0.7V 피크 진폭으로 약한 신호를 정류하기 위한 정류기로 사용할 수 있습니다.
- 역방향 다이오드는 tunnel & Zener 다이오드의 설계 특성 내에서 편차를 제공합니다.
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