【전자회로 기본Ⅰ】 7강 - 제너 다이오드

0. 이전 이야기

 

6강에서는 다이오드의 동작 원리에 대하여 학습했음

다이오드는 기본적으로 pn접합이 이뤄지는데, 이때 pn접합이란 실리콘에 +3가를 도핑한 p형 반도체와 실리콘에 +5가를 도핑한 n형 반도체를 붙여놓은 것을 말함

이때 pn접합에서는 공핍층이 만들어지는데 접합이 이루어진 후 접합면 부근 캐리어들이 재결합을 이루며 소멸하여, 그 부분에는 이온들만 존재하게 되므로 전기적 중성이 깨지게 됨

이렇게 다수 캐리어들이 재결합으로 소멸한 접합면 부근의 영역을 공핍층이라고 부름

p영역에 $(+)$, n영역에 $(-)$ 전압을 연결한 상태인 순방향 바이어스를 걸어주면 공핍층은 얇아지게 됨

* 다수캐리어가 공핍층쪽으로 이동하여 이온들이 중성화되기 때문임

p영역에 $(-)$, n영역에 $(+)$ 전압을 연결한 상태인 역방향 바이어스를 걸어주면 공핍층은 두꺼워지게 됨

* 다수캐리어가 전극쪽으로 이동하여 공핍층쪽이 이온화되기 때문임

마지막으로 전압-전류 특성에 대해서도 학습하였는데, 순방향의 경우 전위장벽을 넘으면 급격하게 증가하고 역방향의 경우 전압이 항복전압에 도달하면 역전류가 급격히 증가함

 

https://nate0707.tistory.com/105

【전자회로 기본Ⅰ】 6강 - 다이오드의 동작원리

 

제너 다이오드는 전류가 변화되어도 전압이 일정하다는 특징을 이용하여 정전압 회로에 사용되거나, 서지 전류 및 정전기로부터 IC 등을 보호하는 보호 소자로서 사용됨

* 정전압 회로란 부하에 흐르는 전류가 변화하더라도 부하 양단 전압을 일정하게 유지해주는 회로

 

1. 제너 다이오드의 특성

 

- 제너 다이오드의 구조

 

제너 다이오드는 전압 조절을 위해 광범위하게 사용되는 pn 실리콘 다이오드의 수정 형태임

사용된 p 형 및 n 형 실리콘은 표준 pn 다이오드보다 많이 도핑됨

그렇기에 상대적으로 얇은 접합 층을 형성하고 결과적으로 기존의 다이오드보다 훨씬 낮은 역항복 전압을 가지게 됨

 

 

- 제너 다이오드의 동작 영역

 

일반 다이오드의 경우 순방향 전압 0.7V 이상의 영역과 역방향 전압의 역항복 전압까지가 동작 전압임

 

 

제너 다이오드의 경우 순방향 전압은 일반 다이오드와 거의 동일한 동작을 함

역방향 전압에서는 역항복 전압보다 더 낮은 전압 영역이 동작 영역이 됨

 

 

- 제너 항복

 

제너 다이오드의 역방향 항복 형태는 애벌란치항복과 제너항복이 있음

 

 

많이 도핑된 p 및 n형 실리콘이 매우 얇은 공핍층을 사이에 두고 있어 공핍층을 가로 지르는 전계 강도가 매우 강함

높은 전계강도에서는 낮은 전압에서도 정공과 전자가 공핍층을 가로 질러 결합하여 역전류를 생성하는 것이 쉽게 됨

일반적으로 5~6V 이하의 낮은 항복 전압을 갖는 제너 다이오드에서 주로 발생하여 제너 항복이라고 함

제너 항복의 역전류의 경우 갑작스러운 증가가 아니라 점진적으로 이어짐

 

- 애벌란치 항복

 

애벌란치 항복은 아주 높은 역방향 전압에서 제너 다이오드와 일반 다이오드에서 발생함

* 제너 항복은 낮은 역방향 전압에서 제너 다이오드에서만 발생함

 

역방향 항복 전압 이하에서는 작은 역방향 누설 전류만 흐르고 있지만 일부 전류는 흐르기 때문에 전자와 정공이 공핍층으로 들어감

역방향 전압이 역방향 항복 전압에 가까워짐에 따라 공핍층에 들어가는 전자와 정공은 강한 전계의 영향을 받아 급속하게 가속됨

가속 상태에서 그들은 다른 원자들과 충돌하기 시작하는데 이를 충격 이온화 과정이라고 함

이 과정에서 원자 결합으로부터 전자를 끌어와 전기장에 의해 크게 가속되는 더 많은 전자-정공 쌍을 만듦

2차 전류 캐리어는 차례로 다른 원자를 이온화 시키므로 다이오드를 통해 역전류가 매우 빠르게 증가하는 과정이 애벌란치 항복임

 

- 항복 특성

 

역방향 전압 $V_R$이 증가하면 역방향 전류 $I_R$은 곡선의 변곡점에 이르기 전까지 극히 적은 값을 유지함

 

 

역전류는 제너 전류 $I_Z$라고 부름

변곡점에 이르면 항복 효과가 시작되어 제너임피던스 $Z_Z$라고 부르는 내부 제너저항은 역전류가 급속히 증가함으로써 감소되기 시작함

* 항복효과란 낮은 역전압 상태에서도 강한 전계에 의해 큰 역방향 전류가 흐르게 되는 현상

변곡점 아래에서 제너항복전압 $V_Z$은 거의 일정한 전압을 유지

역방향전류의 최소값 $I_{ZK}$는 다이오드를 정전압소자로 이용하기 위하여 유지해야만 하는 최소 전류임

 

최대전류 $I_{ZM}$은 다이오드가 손상되기 바로 전의 전류임

규격표에 명시되는 $V_Z$는 제너시험전류 $I_{ZT}$에서의 제너전압임

제너 다이오드는 $I_{ZK}$에서 $I_{ZM}$까지의 역방향전류 변화에 대하여 다이오드 양단의 전압을 거의 일정하게 유지함

 

 

- 최대 소비전력

 

제너 다이오드의 소비전력은 다음과 같음

 

$P_D=V_ZI_Z$

 

최대 소비전력 $P_D(max)$는 제너 다이오드가 소비할 수 있는 최대 전력으로 특정 온도 이하에서 정의됨

이 온도 이상이 되면 최대 소비전력은 감소하게 됨

온도 상승에 따른 최대 소비전력의 감소를 전력경감이라고 함

최대 소비전력과 제너 항복전압 $V_Z$을 이용하여 최대 역전류 $I_{ZM}$을 구할 수 있음

 

$I_{ZM}=\frac{P_D(max)}{V_Z}$

 

 

2. 제너 다이오드의 응용

 

- 제너 다이오드 레귤레이터

 

회로에서 제너 다이오드는 입력전압이 제한된 범위에 있을 때 출력단자 양단의 전압을 거의 일정하게 유지함

제너 다이오드는 최대 전류 $I_{ZM}$과 최소 전류 $I_{ZK}$에 의해 동작 전압이 정해짐

 

회로에서 +V가 12V이고 $V_{out}=5V$, 제너 다이오드의 $P_D(max)$가 2W인 경우

 

 

직렬 회로의 경우 모든 곳에서 전류는 같음

또한 처음 시작 부분은 $I_S$가 $I_Z$와 $I_L$회로로 쪼개지므로 $I_S=I_Z+I_L$임

 

$I_{ZM}=2W/5V=400mA$

* $I_{ZM}$은 제너 다이오드에 흐를 수 있는 최대 전류

$R_S=\frac{V_s-V_Z}{I_Z}=\frac{12-5}{400mA}=17.5Ω$

* 직렬 저항 $R_S$의 최소값을 구한 것

 

 

부하 저항 $R_L$이 1KΩ 일때 $I_L$값은?

$I_L=\frac{V_Z}{R_L}=\frac{5V}{1000Ω}=5mA$

 

최서 직렬 저항 17.5Ω에 부하저항이 1kΩ이라면?

$I_Z=I_S-I_L=400mA-5mA=395mA$

 

- 제너 다이오드 클리핑

 

클리핑 회로는 입력되는 파형의 특성 레벨 이상이나 이하를 잘라내는 회로를 말함

제너 다이오드 클리핑은 전압 제한 방법에 따라 3가지로 구분함