#5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성

다이오드는 정말 정말 많이 사용하는 전자 부품 소자 중 하나로, 전류를 한 방향으로만 통과시키는 역할을 합니다. 다이오드는 전기 회로에서 매우 중요한 요소이며, 굉장히 다양한 역할을 수행합니다. 두 개의 반도체를 연결한 P-N 접합 구조로 되어 있으며, 일반적으로 실리콘 또는 저마늄 물질을 사용합니다만 실무를 함에 있어 물리적인 성질을 깊이 알지 못하더라도 전자회로를 설계하는데 있어서 큰 문제는 없습니다. 물성을 이해하는 것은 전공자가 아니면 이해하기 어렵기도 하고, 재미도 없으니 실제 실무에서 활용할 수 있는 설계 관점에서 글을 풀어 보겠습니다!
 
다이오드 심볼부터 봐야할 것 같네요.
 

[그림 1. 다이오드 심볼]

 
다이오드 심볼은 그림 1과 같이 굉장히 심플하게 표현됩니다. 
일반적으로 Anode에 양전압, Cathode에 음전압을 걸어서 다이오드를 도통(전류가 흐르게 함) 시킨다는 표현을 많이 쓰지만 사실 Cathode 전극 보다 Anode 전극의 전압이 더 높기만 하면 됩니다. 물론, MOSFET을 도통 시키기 위해 VGS 노드에 특정 전압 이상을 걸어줘야 하는 것 처럼 다이오드 역시 도통 시키기 위해 약 0.7V 이상의 전압 차이를 걸어줘야 합니다.  (실제로는 다이오드의 타입에 따라 0.4V에서 도통되는 것도 있고, 1.2V에서 도통 되는 것도 있습니다.) 
 
전자회로 설계에 있어 물성이 크게 중요하지 않다고는 했지만, 그림 2와 같이 P jungtion과 N jungtion으로 이뤄진다는 것 정도는 알고 넘어 갑시다! 그림 1의 다이오드 심볼을 열고 내부로 들어가면 그림 2와 같이 P type과 N type의 반도체로 이뤄져 있습니다.
 

[그림 2. 다이오드의 물리적 성질]

 
아래 그림은 다이오드의 거의 전부라고 할 수 있는 동작 원리를 설명하는 I-V 그래프 입니다.
 

[그림 3. Ideal I-V 특성 그래프]

[그림 4. I-V 특성 그래프]

 
다이오드의 동작 특성은 순방향 전압/ 역방향 전압/ 항복전압 이렇게 세 가지 영역으로 구분 됩니다.
 

1. 순방향 전압 영역일 때,

이상적인 다이오드는 그림 3과 같이 Vd=0.7V 일 때, 도통이 되고 on 저항 값이 굉장히 작습니다. 하지만 실제 환경에서 다이오드는 그림 4와 같이 동작하며, Vd=0.7V 일 때, 도통이 되지만 on 저항 값이 상대적으로 커지고 다이오드를 통해 흐르는 전류가 증가함에 따라 Vd가 약간 증가합니다. 
 

2. 역방향 전압 영역일 때,

이상적인 다이오드는 그림 3과 같이 누설 전류가 없지만, 실제 환경에서의 다이오드는 그림 4의 Is라는 누설 전류가 발생합니다. 물론, 역방향 전압으로 사용할 일이 거의 없지만 실제 환경에서는 저런 누설 전류가 발생한다는 사실을 인지해야 합니다.
 

3.  항복 전압 영역일 때,

역방향 전압 영역에서는 누설 전류가 흐르는 수준이지만 역방향 전압이 커져서 항복 전압 Vbr을 넘어서게 되면 다이오드의 소손(파괴)이 발생합니다. 항복 전압 Vbr은 보통 수십 볼트 이상 높게 제작되고, 역방향 전압을 사용하는 경우는 거의 없지만, 배터리를 반대로 장착하는 사용자의 실수 또는 필요에 따라 강건성 테스트를 하게 될 경우 특정 전압 이상을 버틸 수 있어야 하기 때문에 데이터시트에 나와 있는 역방향 전압의 맥시멈 레이팅을 잘 확인해야 합니다.  
 
지금까지는 말로만 설명했기 때문에 다이오드라는 녀석이 구체적으로 와닿지 않을 수도 있겠네요. 그러면 간단하게 다이오드에 저항 하나를 연결해서 어떻게 동작하는지 알아볼께요. 다이오드는 0.7V에서 도통되는 것으로 가정하겠습니다. 다이오드에 순방향 전압 5V를 인가하면 그림 5와 같이 다이오드가 도통되고, 0.7V의 드롭이 발생합니다. 이 때, 이상적인 다이오드라면 Ron=0 이겠지만, 실제 환경에서는 매우 작은 수준의 저항이 생깁니다. 하지만, 역방향 전압 -5V를 인가 할 경우 그림 6과 같이 다이오드는 도통 되지 않고, 오픈된 스위치와 같이 동작합니다.
 

[그림 5. 순방향 전압 시]

[그림 6. 역방향 전압 시]

 
만약 해당 다이오드의 항복전압 Vbr=20V라고 가정해 봅시다. 즉, 그림 6의 역방향 전압이 -5V가 아닌 -20V가 걸릴 경우 그림 4와 같이 항복 전압을 넘어서게 되면서 순간적으로 큰 전류가 흘러 다이오드는 소손(파괴)이 발생하게 됩니다. 따라서, 다이오드 선정 시 얼마만큼의 역방향 전압을 견딜 수 있어야 하는지 고려해서 선정하는 것이 매우 중요 합니다. 
 
지금까지의 설명만 보면 다이오드가 어떤 특성을 가진 소자인지 이해가 되실텐데요. 이 녀석을 어디에 왜 사용하는지는 감이 안올거에요. 뭔가 순방향 영역에서만 동작이 되는데 0.7V의 전압 드롭을 발생시키는 녀석을 뭣하러 쓰는거지? 하는 궁금증이 충분히 생길 수 있겠네요. 이번 포스팅에서는 다이오드의 기본적인 기능에 대해서만 알아봤고, 추후에 다이오드의 다양한 활용 방안에 대해 포스팅 하도록 하겠습니다. 그리고 다이오드는 순방향 전압 영역에서 정상 동작하는 것으로 보이지만, 역방향 전압 영역에서 정상 동작하는 제너 다이오드라는 녀석도 있습니다. 이 녀석도 굉장히 다양하게 활용 가능하니 시간 날 때 포스팅 하겠습니다!