【전자회로 기본Ⅰ】 8강 - 쇼트키 다이오드

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7강에서는 제너 다이오드에 대하여 학습하였음

제너 다이오드란 농도가 진한, 즉 도핑이 많이된 p형 및 n형 반도체를 이용한 다이오드를 말함

이들은 일반 다이오드에 비해 상대적으로 얇은 접합 층을 형성하고 결과적으로 낮은 역항복 전압을 가짐

* 표준 pn 다이오드에 p형 영역에 정공이, n형 영역에 전자가 많아져 공핍층이 얇아졌다고 생각하면 됨

제너 다이오드는 전류가 변화되어도 전압이 일정하다는 특징을 갖고 있는데, 이를 이용하여 정전압 회로에 사용되거나 서지 전류 및 정전기로부터 IC를 보호하는 보호 소자로서 사용됨

제너 다이오드의 역방향 항복 형태로는 애벌란치항복과 제너항복이 있음

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

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

여기서는 전자와 정공이 원자들과 충돌해 더 많은 전자-정공 쌍을 만들고 이로인해 다이오드를 통해 역전류가 매우 빠르게 증가하는 과정이 애벌란치 항복임

 

https://nate0707.tistory.com/106

【전자회로 기본Ⅰ】 7강 - 제너 다이오드

 

1. 쇼트키 다이오드의 특성

 

- 쇼트키 다이오드의 구조

 

일반 다이오드는 p형과 n형 실리콘이 pn접합으로 되어 있는 것과 달리

쇼트키 다이오드는 금속과 실리콘 반도체의 접합으로 되어 있음

 

쇼트키 다이오드의 구조

 

이를 회로로 표현하면 다음과 같음

 

회로로 표현한 쇼트키 다이오드

 

 

pn 다이오드의 p형 실리콘 대신 일반적으로 금, 은, 백금, 텅스텐 등의 금속 양극으로 구성됨

 

제조 중에 다이오드가 형성될 때, 작은 접합 전위가 금속 양극과 n형 실리콘 사이에서 발생함

이때 접합 전위는 금속에 따라 약 0.15V~0.3V임

금속과 인접한 실리콘의 전자의 에너지 준위의 차이는 쇼트키 배리어$(Schottky Barrier)$라고 하는 접합 전위를 생성함

 

# 쇼트키 다이오드의 접합 전위가 낮은 이유

 

일반적인 pn접합은 P형 반도체는 양이온층과 음이온층이 형성되어 전계가 발생하고 이 전계는 전자가 이동하는 것을 억제하게 되는 전위장벽을 형성함

쇼트키 다이오드의 경우 N형 반도체와 금속 접합의 공핍영역은 N형 반도체에 형성되는 양이온 층만으로 이뤄짐 따라서 금속에는 정공이 없어 음 이온층이 형성되지 않아 전위장벽이 일반 pn접합보다 낮아지게 되는 것임

 

- 쇼트키 다이오드의 동작

 

# 바이어스가 안되었을 때

 

이때의 쇼트키 다이오드에서 자유 전자는 균형을 이루기 위해 n형 반도체에서 금속으로 이동함

 

 

이러한 전자의 흐름은 음이온과 양이온이 만나는 쇼트키 장벽을 만듦

자유 전자는 이 장벽을 급복하기 위해 내장 전압보다 더 큰 에너지 공급이 필요함

 

# 순방향 바이어스 상태

 

배터리의 양극 단자를 금속에 연결하고 음극 단자를 n형 반도체에 연결하면 순방향 바이어스 상태가 됨

 

 

이 상태에서 인가된 전압이 0.2V보다 큰 경우 전자는 n형에서 금속으로 접합부를 가로지름

그 결과 대부분의 다이오드에 일반적인 전류 흐름이 발생함

 

# 역방향 바이어스 상태

 

배터리의 음극 단자를 금속에 연결하고 양극 단자를 n형 반도체에 연결하면 역 바이어스 상태가 됨

 

 

이 상태는 쇼트키 배리어를 확장하고 전류의 흐름을 방지함

그러나 역 바이어스 전압이 계속해서 증가하면 결국 장벽을 무너뜨릴 수 있음

그렇게 하면 전류가 역방향으로 흐르게되고 부품 손상이 발생할 수 있음

 

- 쇼트키 다이오드의 특성

 

쇼트키 다이오드는 pn 다이오드 대비 낮은 순방향 전압과 낮은 역 항복전압, 높은 역방향 누설 전류를 가짐

 

 

또한 낮은 접합 전위로 인해 순방향 바이어스에는 열을 덜 생성하지만 역방향 누설 전류가 커지게 되는 원인이 됨

* 역방향 문턱전압이 낮기 때문에 역방향으로 전류가 흐를때 상당한 양이 흐르게 되는 것임

 

쇼트키 접합은 pn 접합보다 와트 당 열 발생량이 적지만, 역방향 누설 전류를 허용 한계 이내로 유지하려면 최대 접합 온도를 일반적으로 125℃~175℃ 아래로 유지해야한다는 단점이 있음

* 일반 pn 다이오드는 200℃ 이내면 됨

 

- 쇼트키 다이오드의 특징

 

# 낮은 턴온 전압

 

일반적인 표준 실리콘 다이오드의 턴온 전압 : 0.6V~0.7V

실리콘 쇼트키 다이오드의 경우 턴온 전압 : 0.2~0.3V

 

이러한 낮은 턴온 전압으로 전력 정류기로서 사용될 때 저항 손실이 감소하고 RF 검출기로서 사용될 때 더 낮은 신호가 검출될 수 있게함

 

예를들어 배터리 전압 12V 부하에 흐르는 전류 1A라고 할 때 일반 다이오드의 0.7V 전압 강한느 1A*0.7V=0.7W의 전력 손실을 발생하게 하는데 0.3V 장벽전위를 갖는 쇼트키 다이오드료 고체시 1A*0.3V=0.3W의 전력 손실이 발생함

0.4W의 차이는 발열로 나타남

 

# 낮은 접합 커패시턴스

 

접합부의 면적, 즉 공핍층이 작아 매우 작은 활성 영역을 갖기 때문에 일반적으로 수 pF의 낮은 커패시턴스를 가짐

 

# 빠른 복구 시간

 

복구 시간, 즉 역 회복시간은 문턱 전압과 관련이 있음

문턱전압이란 캐리어들이 공핍층을 뛰어 넘기 위한 전압임

전원의 극성이 바뀌더라도 다이오드 내부의 소수캐리어에 의해서 전류가 약간의 시간동안 더 흐르는 현상이 발생함

이러한 시간지연을 역 회복 시간이라고 함

 

다이오드의 경우 스위치 역할을 할 때 얼마나 많은 전류를 얼마나 빠르게 스위칭 하느냐가 핵심임

쇼트키 다이오드는 반도체와 금속의 결합으로인한 낮은 전위장벽으로 회로의 전력 측면에서 효율이 좋아 신호의 왜곡이 적음

또한 쇼트키 다이오드는 커패시턴스가 낮기에 축적효과가 매우 적어 역 회복시간이 짧아지게 됨

따라서 기가 헤르츠 및 테라 헤르츠 주파수 범위의 저전압에서 작동할 수 있음

 

 

 

2. 쇼트키 다이오드의 응용

 

- 기본 AM 복조

 

AM 신호가 수신될 때 수신기에서의 진폭은 수 mV 또는 uV로, 수신기에 의해 증폭되더라도 작을 수 있음

따라서 실리콘 pn 다이오드의 0.6V의 접합 전압을 극복하기에 충분한 진폭을 가지지 않으므로 접합 전위가 0.2V인 쇼트키 다이오드가 사용됨

 

커패시터에 의해 RF 신호의 Envelop 모양을 추출하면 오디오 주파수 파형이 됨

 

 

- 고속 스위칭 정류기

 

쇼트키 다이오드를 전원 공급 장치에 사용하는 주된 이점은 매우 빠른 스위칭 속도임

* 이는 쇼트키 다이오드가 낮은 커패시턴스를 갖기 때문임

많은 현대 회로는 전원 공급 장치 출력에서 정류해야 하는 고주파에서 구형파를 사용하여 작동하는 스위치 모드 전원 공급 장치를 사용함

 

- 전력 정류기

 

쇼트키 다이오드는 고전력 정류기로도 사용됨

* 정류기는 교류를 정류로 바꿔주는 역할을 함

전류 밀도가 높고 순방향 전압 강하가 낮아 일반 pn 접합 다이오드를 사용하는 경우보다 전력 소비가 적음

이러한 효율 증가는 더 적은 열이 소산되어야 하고 더 작은 방열판이 사용될 수 있어 무게와 비용이 절감됨

* 쇼트키 다이오드는 공핍층이 얇아 전압강하, 전압 손실이 매우 적음

 

- 전원 OR 회로

 

쇼트키 다이오드는 두 개의 별도 전원 공급 장치로 부하가 구동되는 응용 분야에서 사용할 수 있음

이러한 경우 한 공급 장치의 전원이 다른 공급 장치로 들어 가지 않아야 함

 

 

이것은 다이오드를 사용하여 구현할 수 있으나 최대 효율을 보장하려면 다이오드 전체의 전압 강하를 최소화 해야함

쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하가 낮다는 점에서 매우 적합함

* 쇼트키 다이오드는 공핍층이 얇아 전압강하, 전압 손실이 매우 적음

- 태양 전지

 

일반적으로 충전식 배터리에 연결됨

24시간 전력이 필요하고 태양은 밤에는 지기 때문에 납 축전지가 종종 사용됨

전압 강하가 있으면 효율이 떨어지므로 저전압 강하 다이오드가 필요함

이러한 점에서 쇼트키 다이오드가 매우 적합함

 

- 클램프 다이오드

 

쇼트키 다이오드는 스위치로 사용될 때 동작 속도를 높이기 위해 트랜지스터 회로에서 클램프 다이오드로 사용됨

이때 쇼트키 다이오드는 드라이버 트랜지스터의 컬렉터와 베이스 사이에 삽입되어 클램프 역할을 함

* 클램프 다이오드란 회로 어느점의 전위를 유지하기 위해 이점과 대지 사이에 접속하는 다이오드를 말함

* 지속적인 과전압을 보호하는 목적보다는 과도 상태의 과전을 보호하는 역할을 함