맨위로가기

다이오드

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로는 차단하는 기능을 가진 전기 부품이다. 1900년대 초 진공관 및 반도체 기술과 함께 개발되었으며, 정류, 검파, 신호 처리 등 다양한 용도로 사용된다. 진공관 다이오드는 2개의 전극을 가진 열전자관 장치로, 1960년대 이후 반도체 다이오드에 의해 대체되었지만, 고전압 및 고전류 응용 분야에서 여전히 사용된다. 반도체 다이오드는 PN 접합 또는 금속-반도체 접합을 이용하여 만들어지며, 실리콘 다이오드, 게르마늄 다이오드, 쇼트키 다이오드 등 다양한 종류가 있다. 다이오드는 전원 회로, 신호 처리, 논리 회로, 센서, 보호 회로 등 광범위한 분야에 응용되며, 특수한 목적으로 환류 다이오드, 광 다이오드, 열 다이오드 등으로도 활용된다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 다이오드 - PN 접합
    PN 접합은 p형 반도체와 n형 반도체의 경계로, 다이오드, 트랜지스터 등 다양한 반도체 소자에 활용되며, 두 반도체의 상대 전압에 따라 전류 흐름을 제어한다.
  • 다이오드 - 건 다이오드
    건 다이오드는 건 효과를 이용하여 마이크로파를 생성하는 발진 소자로, 갈륨 비소와 같은 반도체의 전자띠 구조를 통해 음의 미분 저항을 발생시키며, 스피드건, 레이더 등 다양한 분야에 응용된다.
  • 전자 부품 - 트랜지스터
    트랜지스터는 전류 증폭 및 스위칭 기능을 하는 반도체 소자로, BJT와 MOSFET 등의 다양한 유형이 개발되어 현대 전자기기의 핵심 기반이 되었으며, 특히 MOSFET은 집적회로 기술 발전에 크게 기여했다.
  • 전자 부품 - 진공관
    진공관은 진공 상태 용기 내부에 전극을 갖춘 전자 장치로, 다이오드와 트라이오드 발명 후 20세기 중반까지 널리 쓰였으나 트랜지스터 등장으로 사용이 줄었지만, 고주파/고출력 분야나 오디오 앰프 등 특정 분야에서 다양한 종류로 여전히 사용되고 있다.
  • 컴퓨터에 관한 - N형 반도체
    N형 반도체는 전자를 주된 전하 운반체로 사용하는 반도체이다.
  • 컴퓨터에 관한 - CMOS
    CMOS는 상보적 금속 산화막 반도체의 약자로, 저전력 소비를 특징으로 하며, P형과 N형 MOSFET을 결합하여 논리 게이트를 구현하는 디지털 회로 설계 방식 및 공정 계열이다.
다이오드
기본 정보
실리콘 다이오드의 클로즈업 뷰. 양극은 오른쪽에 있고, 음극은 왼쪽에 있습니다(검은색 띠로 표시). 두 리드 사이에 사각형 실리콘 결정이 보입니다.
명칭다이오드
종류수동 소자
발명가그린리프 휘티어 피커드
발명 연도1903년
단자양극 및 음극
단자 수2
기호[[File:Diode symbol.svg]]
구성
재료반도체
게르마늄
실리콘
상세 정보
다이오드 종류쇼트키 다이오드
제너 다이오드
배리캡 다이오드
광 다이오드
발광 다이오드
SCR

2. 역사

진공관 다이오드와 반도체 다이오드는 1900년대 초, 라디오 수신기의 검파기로 거의 동시에 개발되었다.[8] 초기에는 점접촉 반도체 다이오드의 안정성이 낮아 진공관 다이오드가 더 많이 사용되었다. 대부분의 수신기는 증폭을 위해 진공관을 사용했고, 진공관 내에 다이오드를 포함시키기 쉬웠으며(예: 12SQ7 이중 다이오드 트라이오드), 진공관 정류기와 가스 충전 정류기는 당시 사용 가능했던 반도체 다이오드(예: 셀레늄 정류기)보다 고전압/고전류 정류를 더 잘 처리할 수 있었다.

1919년, 영국의 물리학자 윌리엄 에클스는 그리스어의 ''di''(2)와 영어의 ''electrode''(전극)의 어미를 합쳐 ''diode''라는 신조어를 만들었다.

1874년 독일의 과학자 카를 페르디난트 브라운이 금속과 광물의 접촉면에서 "단방향 전도"를 발견했고,[14][15] 1899년에 광석 정류기의 특허를 취득했다.[61] 1930년대가 되어 산화구리와 셀레늄에 의한 정류기가 전력 용도로 개발되었다.

다이오드 확대 사진. 정사각형으로 보이는 부분이 반도체 결정을 나타낸다.


1894년, 인도의 과학자 자가디시 찬드라 보스는 처음으로 광석을 라디오의 검파기로 사용했다.[16] 이 광석 검파기는, 후에 실리콘 결정을 사용한 검파기를 개발한 그린리프 휘티어 피카드에 의해 무선 전신에 실용화되었다.(실리콘 검파기는 1903년에 개발되어 1906년 11월 20일에 특허화되었다)[17]

가장 널리 사용된 것은 황화납(갈레나)였는데, 저렴하고 입수하기 쉬웠기 때문이다. 광석 검파기는 기계적으로 고정된 것도 있었지만, 대개 탐침으로 적절한 위치를 매번 찾아야 하는[63] 등 번거로움이 많다는 단점 때문에 1920년대에는 진공관(열전자관)으로 일반적으로 대체되었다.

1940년대 후반 점접촉형 트랜지스터의 발견 이후 발전한 반도체 이론·기술·공학에 의해 안정적인 PN 접합에 의한 반도체 다이오드가 만들어지게 되면서, 다시 반도체가 주역이 되었다.

2022년에는 외부 자기장 없이 최초의 초전도 다이오드 효과가 실현되었다.[22]

2. 1. 진공관 다이오드

1873년 프레더릭 구트리가 열전자 방출 현상을 발견하면서 진공관 다이오드의 기초가 마련되었다.[9][10] 1880년 토머스 에디슨은 에디슨 효과를 발견하고, 이를 바탕으로 1884년 직류 전압계 특허를 획득했다.[11][12]

약 20년 후, 존 앰브로스 플레밍(마르코니 연구소의 과학 고문이자 전 에디슨 회사 직원)은 에디슨 효과를 라디오 검파기로 사용할 수 있다는 것을 깨달았다. 1904년 11월 16일 영국에서 최초의 진정한 열이온 다이오드인 플레밍 밸브에 대한 특허를 받았다.[13]

진공관 다이오드의 구조. 필라멘트 자체가 음극이 될 수도 있지만, 더 일반적으로(여기 그림처럼) 별도의 금속관을 가열하여 음극으로 사용한다.


진공관 다이오드는 초기 라디오, 텔레비전 등 전자 기기에 널리 사용되었으나, 1950년대 이후 반도체 다이오드에 점차 자리를 내주게 되었다.

2. 2. 반도체 다이오드

1874년 독일의 과학자 카를 페르디난트 브라운이 금속과 광물의 접촉면에서 "단방향 전도"를 발견했다.[14][15] 1894년 인도의 과학자 자가디시 찬드라 보스는 결정을 이용하여 무선파를 검출했다.[16] 그린리프 휘티어 피커드는 1903년에 실리콘 결정 검파기를 발명하고 1906년 11월 20일에 특허를 획득하여 결정 검파기를 실용적인 장치로 만들었다.[17] 다른 실험자들은 다양한 광물을 검파기로 시도했다.

다양한 반도체 다이오드. 왼쪽은 브리지 다이오드이다.


초기에는 이러한 정류기의 반도체 원리가 알려지지 않았다. 1930년대에 물리학의 이해가 발전하면서, 1930년대 중반 벨 연구소의 연구원들은 마이크로웨이브 기술에서 결정 검파기의 잠재력을 인식했다.[18] 벨 연구소, 웨스턴 일렉트릭, MIT, 퍼듀 대학교 및 영국의 연구원들은 제2차 세계 대전 동안 레이더에 적용하기 위해 점접촉 다이오드("결정 정류기" 또는 "결정 다이오드")를 집중적으로 개발했다.[18]

제2차 세계 대전 후, AT&T는 이것을 미국 전역의 마이크로웨이브 타워에 사용했으며, 많은 레이더 장비는 21세기에도 이것을 사용하고 있다. 1946년, 실바니아는 1N34 결정 다이오드를 제공하기 시작했다.[19][20][21] 1950년대 초에는 접합 다이오드가 개발되었다.

1900년대 초, 열전자를 이용한 다이오드(진공관)와 고체를 이용한 다이오드(반도체)는 무선 수신기의 검파용으로 동시기에 개별적으로 개발되었다. 1950년대에는 진공관 다이오드가 라디오에 가장 많이 사용되었다. 이는 초기의 점접촉 반도체 다이오드가 신뢰성이 떨어졌고, 많은 수신기에는 증폭용 진공관이 사용되었으며, 이 진공관 내에 다이오드 부분을 혼성시키는 것이 용이했기 때문이다. 또한 진공관 정류기 및 가스봉입 정류기는 고전압·대전류 용도에 있어 동시대의 반도체 다이오드(셀렌 정류기 등)보다 적합했다.

1930년대가 되어 산화구리와 셀레늄에 의한 정류기가 전력 용도로 개발되었다. 1899년에 브라운은 광석 정류기의 특허를 취득했다.[61]

가장 널리 사용된 것은 갈레나(황화납)였다. 다른 재료에서도 좋은 특성이 얻어졌지만, 갈레나는 저렴하고 입수성이 좋았기 때문에 가장 많이 사용되었다. 광석 검파기에는 기계적으로 고정된 것도 있었지만, 대개 탐침으로 적절한 위치를 매번 찾아서 사용하는[63] 등 번거로움이 많다는 단점 때문에 1920년대에는 진공관(열전자관)으로 일반적으로 대체되었다.

1940년대 후반 점접촉형 트랜지스터의 발견 이후 발전한 반도체 이론·기술·공학에 의해 안정적인 PN 접합에 의한 반도체 다이오드가 만들어지게 되면서, 다시 반도체가 주역이 되었다. 광석 검파기의 원리인 쇼트키 접합의 활용은 연구 중이며, 2015년 현재도 라디오의 검파용으로는 점접촉 저마늄 다이오드가 사용되고 있다. 벨 연구소도 저마늄 다이오드를 마이크로파 수신용으로 개발했고, 1940년대 후반에는 AT&T가 그것을 사용하여 국가 간 마이크로파 통신을 개시하여 이동통신 및 TV 네트워크의 신호 수신에 사용했다. 이것은 당시 진공관보다 광석 쪽이 주파수 특성이 뛰어났기 때문이다.

3. 다이오드의 기본 동작 원리

다이오드의 가장 큰 특징은 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 작용이다. 이러한 정류 작용은 진공관과 반도체 다이오드에서 서로 다른 방식으로 나타난다. 진공관에서는 전극 사이에 전압을 가하면 캐소드(음극)에서 방출된 열전자가 애노드(양극)에 도달하는지에 따라 전류의 흐름이 결정된다. 반면, 반도체 다이오드에서는 PN 접합이나 쇼트키 접합과 같은 구조를 통해 정류 작용이 이루어진다.

3. 1. 반도체 다이오드의 구조 및 동작

반도체 다이오드는 주로 PN 접합 또는 금속-반도체 접합(쇼트키 다이오드) 구조를 가진다. 다이오드의 전류-전압 특성은 PN 접합의 공핍 영역(depletion region)의 작용으로 설명된다.

p–n 접합 다이오드의 I–V 특성


일반적인 4가지 다이오드의 순방향 전류-전압 곡선


다이오드는 애노드(양극)와 캐소드(음극) 두 단자를 가지며, 전류를 한 방향(애노드→캐소드)으로만 흐르게 하는 '''정류 작용'''을 한다.

PN 접합 다이오드의 경우, P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 PN 접합에서 정류 작용이 일어난다.

반도체의 pn접합과 띠구조의 개략도


순방향 바이어스 시의 pn 접합 다이오드


역방향 바이어스 상태의 pn 접합 다이오드


반도체 다이오드의 전류-전압 특성의 개략도. 전압이 양의 영역이 순방향 바이어스.


낮은 순방향 바이어스 모드의 pn 접합 다이오드. 전압이 증가함에 따라 공핍층 폭이 감소한다. p 접합과 n 접합 모두 1e15/cm3 도핑 수준으로 도핑되어 약 0.59V의 내부 전위를 생성한다. n 영역과 p 영역에서 전도대와 원자가대의 서로 다른 준 페르미 준위(빨간색 곡선)를 관찰한다.

  • 순방향 바이어스: 애노드에 (+), 캐소드에 (-) 전압을 가하면 공핍 영역이 축소, 소멸하여 전류가 급격히 증가한다. 이때 전자와 정공의 재결합으로 에너지(열, 빛)가 방출된다.
  • 역방향 바이어스: 애노드에 (-), 캐소드에 (+) 전압을 가하면 공핍층이 확대되어 전류가 거의 흐르지 않는다. 그러나 역방향 바이어스를 계속 증가시키면 자너 파괴 또는 애벌랜치 파괴가 발생하여 전류가 급격히 흐르게 된다.

3. 1. 1. PN 접합 다이오드

PN 접합 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 만든다. 접합면에는 전자와 정공이 결합하여 공핍 영역(depletion region)이 형성되는데, 이 영역은 전자와 정공이 모두 부족하여 부도체처럼 동작한다.[74][75]

  • 순방향 바이어스: P형 쪽에 (+) 전압, N형 쪽에 (-) 전압을 가하면 공핍층이 축소되거나 소멸하면서 전류가 흐르기 시작한다. 이때 다이오드는 마치 저항이 매우 작은 물질처럼 동작하며, 전압 강하가 발생한다. 실리콘 다이오드는 약 0.6~0.7V, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.4V 정도의 전압 강하를 보인다.
  • 역방향 바이어스: P형 쪽에 (-) 전압, N형 쪽에 (+) 전압을 가하면 공핍층이 확대되어 전류가 거의 흐르지 않는다. 하지만 역방향 한계 전압(PIV)을 초과하면 전자사태 항복이 발생하여 다이오드가 파손될 수 있다.


제너 다이오드는 역방향 바이어스 특성을 이용하는 특수한 다이오드로, 낮은 PIV를 가지도록 설계된다. 역방향 전압이 특정 값(제너 전압) 이하에서는 제너 항복, 그 이상에서는 전자사태 항복이 일어난다.

다이오드의 주요 기능은 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 작용이다. 주로 실리콘으로 만들어지며, 전력 제어용과 신호 처리용으로 구분된다. 실리콘은 생산성과 품질 안정성이 좋지만, 순방향 전압이 게르마늄보다 높아 발열로 인한 전력 손실이 크다. 게르마늄은 신호 반응 속도가 빠르지만 열에 약하고 고장 위험이 있어, 초기 라디오 부품이나 고주파 회로에 제한적으로 사용된다.

다이오드의 동작은 순방향 문턱 전압을 기준으로 단순화할 수 있다. 이 값보다 높은 전압에서는 상당한 전류가 흐르고, 낮은 전압에서는 거의 흐르지 않는다.

다양한 반도체 다이오드의 순방향 문턱 전압
다이오드 종류순방향 문턱 전압
실리콘 쇼트키 다이오드0.15 V ~ 0.45 V
게르마늄 p-n 다이오드0.25 V ~ 0.3 V
실리콘 p-n 다이오드0.6 V ~ 0.7 V
적외선 (GaAs) p-n 다이오드약 1.2 V
발광 다이오드(LED)1.6 V (적색) ~ 4 V (보라색)



다이오드의 순방향 전압 강하는 전류에 따라 약간 변하고 온도에 영향을 받으므로, 온도 센서나 전압 기준으로 활용될 수 있다.[6][7]

3. 1. 2. 쇼트키 다이오드

n형 반도체에 p형 대신 금속을 사용하여 n형의 특성을 발휘하도록 만들어진 다이오드이다.[76] 쇼트키 다이오드는 금속-반도체 접합으로 형성되어 p-n 접합보다 정전 용량을 줄이고 스위칭 속도를 높인다.[30][31]

다양한 쇼트키 다이오드. 왼쪽:소신호 RF 소자, 중앙과 오른쪽:중급 및 고파워 정류용.


쇼트키 다이오드의 특성은 다음과 같다.

  • 낮은 순방향 전압: 순방향 전류 인가 시 0.2~0.3V로, 실리콘 다이오드 (0.6~0.7V) 보다 낮다.
  • 고속 전환 복구 시간: 순방향과 역방향 바이어스 전환 시 고속 복구 시간을 갖는다. 이는 적은 전하량 때문이다. 고속 스위칭 응용회로에 적합하다.
  • 낮은 접합 캐패시턴스: 금속 접촉으로 활성 영역이 작아 전하 충전이 적다.


역방향에서 순방향으로 전환할 때 p-n 접합보다 빠른 전환이 가능하여 신호 처리 및 전력 제어용으로 사용 가능하다. 스위칭 전원 장치 등에서 코일과 결합하여 입력쪽 전류 단절 시 코일의 전류를 유지하는 용도로 사용될 수 있다.

3. 2. 진공관 다이오드의 구조 및 동작

열전자관 장치인 진공 다이오드는 음극과 플레이트 두 개의 전극이 밀폐된 진공 유리 또는 금속 외함으로 구성되어 있다. 음극은 '간접 가열식' 또는 '직접 가열식'이다. 간접 가열 방식을 사용하는 경우에는 외함에 히터가 포함된다.

무선 장비에서 정류기로 사용되는 고출력 진공 다이오드.


작동 중에는 음극은 약 800°C의 적열 상태로 가열된다. 직접 가열식 음극은 텅스텐 와이어로 만들어지며 외부 전압원에서 공급되는 전류에 의해 가열된다. 간접 가열식 음극은 니크롬 와이어로 형성되고 외부 전압원에서 공급되는 전류로 가열되는 근처 히터의 적외선 방사에 의해 가열된다.

두 개의 전력 다이오드를 포함하는 진공관


음극의 작동 온도로 인해 열전자 방출이라는 과정을 통해 진공 상태로 전자가 방출된다. 음극은 알칼리 토금속의 산화물, 예를 들어 바륨과 스트론튬 산화물로 코팅되어 있는데, 이러한 산화물은 일함수가 낮아 코팅되지 않은 음극보다 더 쉽게 전자를 방출한다.

플레이트는 가열되지 않으므로 전자를 방출하지 않지만 전자를 흡수할 수 있다.

정류할 교류 전압은 음극과 플레이트 사이에 인가된다. 플레이트 전압이 음극에 대해 양일 때 플레이트는 정전기적으로 음극에서 전자를 끌어당기므로 전류가 음극에서 플레이트로 관을 통해 흐른다. 플레이트 전압이 음극에 대해 음일 때 플레이트는 전자를 방출하지 않으므로 플레이트에서 음극으로 전류가 흐를 수 없다.

4. 다이오드의 종류

여러 가지 다이오드 (자의 수치는 센티미터 단위)


다이오드는 사용 목적, 특성, 재료 등에 따라 다양하게 분류된다.

반도체 다이오드의 전류-전압 특성은 제조 과정에서 사용되는 반도체 재료와 도핑 불순물을 선택함으로써 조절할 수 있다.[7] 이러한 기술은 여러 가지 다른 기능을 수행하는 특수 목적 다이오드를 만드는 데 사용된다.[7]

다이오드의 전류-전압 특성곡선


일반적인 (p-n) 다이오드는 도핑된 실리콘 또는 게르마늄으로 만들어진다. 실리콘 전력 정류 다이오드가 개발되기 전에는 산화구리(I)와 셀레늄이 사용되었다.

  • 애벌랜치 다이오드: 역 바이어스 전압이 내부 전압을 초과할 때 역방향으로 전류가 흐르는 다이오드이다. 제너 다이오드와 매우 유사하지만 ''애벌랜치 효과''에 의해 고장이 발생한다.
  • 정전류 다이오드: 전류가 특정 값까지 상승한 다음 특정 값으로 수평을 이루도록 허용한다. ''CLD'', ''정전류 다이오드'', ''다이오드 연결 트랜지스터'' 또는 ''전류 조정 다이오드''라고도 한다.
  • 결정 정류기 또는 결정 다이오드: 포인트 접점 다이오드의 일종이다.[27] 1N21 시리즈 등은 레이더 및 마이크로웨이브 수신기의 믹서 및 검출기 응용 분야에 사용된다.[24][25][26]
  • 건 다이오드: 터널 다이오드와 유사하게 음의 미분 저항 영역을 가진다.
  • 발광 다이오드(LED): 직접 밴드갭 반도체(예: 갈륨 비소)로 형성된 다이오드에서, 전하 캐리어가 재결합할 때 광자를 방출한다.
  • 레이저 다이오드: 공진기에 LED와 같은 구조가 포함되면 레이저를 형성할 수 있다.
  • 열 다이오드: 온도에 따라 순방향 전압이 변하기 때문에 온도를 모니터링하는 데 사용되는 기존의 p-n 다이오드와 펠티에 열 펌프 모두에 사용된다.
  • 포토다이오드: 빛을 감지하기 위한 것이므로 빛이 통과할 수 있는 재료로 포장되며, 일반적으로 PIN(빛에 가장 민감한 다이오드 종류)이다.[41]
  • PIN 다이오드: 중앙에 도핑되지 않은 ''고유한'' 층이 있어 p형/고유/n형 구조를 형성한다.[42]
  • 쇼트키 다이오드: 쇼트키 다이오드는 금속-반도체 접촉으로 구성된다. p-n 접합 다이오드보다 순방향 전압 강하가 낮다.
  • 슈퍼 배리어 다이오드: 쇼트키 다이오드의 낮은 순방향 전압 강하와 일반적인 p-n 접합 다이오드의 서지 처리 능력 및 낮은 역방향 누설 전류를 통합한 정류 다이오드이다.
  • 금 도핑 다이오드: 도펀트로서 금(또는 백금)은 재결합 중심으로 작용하여 소수 캐리어의 빠른 재결합을 돕는다.
  • 스냅오프 또는 스텝 회복 다이오드: SRD에서 순방향 전류가 흐른 후 전류가 차단되거나 역전되면 역방향 전도가 매우 갑자기 중단된다.
  • 스태비스터 (순방향 기준 다이오드): 매우 안정적인 순방향 전압 특성을 특징으로 하는 특수한 유형의 다이오드이다.
  • 과도 전압 억제 다이오드(TVS): 다른 반도체 소자를 고전압 과도 현상으로부터 보호하도록 특별히 설계된 애벌랜치 다이오드이다.[45]
  • 터널 다이오드 (에사키 다이오드): 양자 터널링으로 인해 음의 저항을 나타내는 작동 영역을 가지고 있다.[46]
  • 바리캡 (바랙터 다이오드): 전압 제어 커패시터로 사용된다.
  • 제너 다이오드: 역 바이어스(역방향)에서 전도되도록 만들 수 있으며, 역항복 다이오드라고 한다.

4. 1. 기능에 따른 분류

다이오드는 그 기능에 따라 다양한 종류로 분류된다. 주요 다이오드는 다음과 같다.

다이오드의 기능에 따른 분류
종류기능 및 특징
정류 다이오드교류를 직류로 변환하는 데 사용된다.
검파 다이오드라디오 신호에서 오디오 신호를 추출하는 데 사용된다.
제너 다이오드 (정전압 다이오드)역방향 바이어스에서 항복 전압 이상이 되면 역방향의 항복 전류가 흐르는 것을 이용하여, 일정 전압을 유지하는 데 사용된다.[76] 주로 기준 전압으로 사용한다.
정전류 다이오드정전류원으로 사용되는 전자 부품으로, 전류를 일정 수준으로 제한한다. JFET의 성질을 이용하며, 교류적으로 무한대의 임피던스 특성을 나타낸다.
터널 다이오드 (에사키 다이오드)양자 터널 효과를 이용하여 고속 스위칭, 발진 등에 사용된다.
가변 용량 다이오드 (바리캡, 바랙터)전압에 따라 정전 용량이 변하는 특성을 이용한다.
발광 다이오드 (LED)전류를 흘리면 빛을 방출한다.
레이저 다이오드레이저 광선을 발생시킨다.
포토다이오드빛을 감지하여 전류를 생성한다.
애벌랜치 다이오드역방향 항복 현상을 이용하며, 과전압 보호 등에 사용된다.
쇼트키 다이오드n형 반도체에 p형 대신 금속을 사용하여 n형의 특성을 발휘하도록 만들어진 다이오드이다.[76] 순방향 전류 시 낮은 전압(0.2~0.3V), 고속 전환 복구 시간, 낮은 접합 캐패시턴스 등의 특성을 가지며, 고속 스위칭, 저전압 정류 등에 사용된다.[76]
PIN 다이오드고주파 스위칭, 감쇠기, 광 검출기 등에 사용된다.
건 다이오드마이크로파 발진에 사용된다.
임팩트 다이오드마이크로파 발진, 증폭에 사용된다.
스텝 리커버리 다이오드고속 펄스 발생에 사용된다.


4. 2. 재료 및 구조에 따른 분류

왼쪽: 브리지 다이오드]]

  • 정류 다이오드 (실리콘 다이오드)[30][31]
  • 검파 다이오드 (저마늄 다이오드)
  • 정전압 다이오드
  • 정전류 다이오드
  • 에사키 다이오드
  • 쇼트키 다이오드
  • 가변용량 다이오드
  • 셀렌 다이오드
  • 수은 다이오드
  • 이극진공관
  • 저마늄 다이오드
  • 셀렌 다이오드
  • 실리콘 다이오드
  • SiC(실리콘 카바이드) 다이오드
  • 갈륨비소 다이오드
  • 질화갈륨 다이오드


1874년 독일의 과학자 카를 페르디난트 브라운은 "단방향 도전성"을 가진 광석을 발견했고[59][60], 1899년에 광석 정류기의 특허를 취득했다.[61] 1930년대가 되어 산화구리와 셀레늄에 의한 정류기가 전력 용도로 개발되었다.

1894년 인도의 과학자 자가디시 찬드라 보스는 처음으로 광석을 라디오의 검파기로 사용했다.[62] 이 광석 검파기는, 후에 실리콘 결정을 사용한 검파기를 개발한 그린리프 휘티어 피카드에 의해 무선 전신에 실용화되었다.

가장 널리 사용된 것은 갈레나(황화납)였지만, 다른 재료에서도 좋은 특성이 얻어졌다. 갈레나는 저렴하고 입수성이 좋았기 때문에 가장 많이 사용되었다. 광석 검파기는 기계적으로 고정된 것도 있었지만, 대개 탐침으로 적절한 위치를 매번 찾아서 사용하는[63] 등 번거로움이 많다는 단점 때문에 1920년대에는 진공관(열전자관)으로 일반적으로 대체되었다.

1940년대 후반 점접촉형 트랜지스터의 발견 이후 발전한 반도체 이론·기술·공학에 의해 안정적인 PN 접합에 의한 반도체 다이오드가 만들어지게 되면서, 다시 반도체가 주역이 되었다. 광석 검파기의 원리인 쇼트키 접합의 활용은 연구 중이며, 2015년 현재도 라디오의 검파용으로는 점접촉 저마늄 다이오드가 사용되고 있다.

벨 연구소도 저마늄 다이오드를 마이크로파 수신용으로 개발했고, 1940년대 후반에는 AT&T가 그것을 사용하여 국가 간 마이크로파 통신을 개시하여 이동통신 및 TV 네트워크의 신호 수신에 사용했다. 이것은 당시 진공관보다 광석 쪽이 주파수 특성이 뛰어났기 때문이다.

5. 다이오드의 응용

다이오드는 전류-전압 특성을 이용하여 다양한 전자 회로 및 시스템에서 핵심 부품으로 활용된다. 특히 pn 접합에 존재하는 공핍 영역을 통해 전하 운반자가 이동하는 원리를 이용한다.

다이오드의 전류-전압 특성곡선은 붕괴, 역방향 바이어스, 순방향 바이어스, 평탄화의 네 가지 영역으로 나타낼 수 있다. 일반적인 P-N 정류 다이오드의 경우 역전류는 매우 작지만, 온도에 따라 크게 증가할 수 있다. 순방향 바이어스에서는 쇼클리 다이오드 방정식에 따라 전류가 지수 함수적으로 증가한다.

다이오드는 정류기로 사용되어 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하거나, 전압 승압기에서 AC를 더 높은 DC 전압으로 변환하는 데 사용된다. 또한, 인덕턴스를 가진 회로에서 전류 차단 시 발생하는 서지 전류를 막기 위해 환류 다이오드[64]로 활용된다.

5. 1. 주요 응용 분야

간단한 검파 회로


기본적인 AC-DC 전원 공급 장치 회로도


다이오드는 다음과 같이 다양한 용도로 사용된다.

  • 정류: 교류(AC) 전기를 직류(DC)로 변환한다. 자동차 발전기가 대표적인 예시로, 다이오드는 AC를 DC로 정류하여 정류자나 이전의 다이나모보다 더 나은 성능을 제공한다.
  • 전압 승압: 콕크로프트-월턴 전압 승압기에서 AC를 더 높은 DC 전압으로 변환한다.
  • 역전압 보호: 직렬 다이오드를 사용하여 전원 공급 장치의 극성이 반대로 연결될 때 발생할 수 있는 역전압, 역극성, 역배터리 연결로부터 회로를 보호한다.
  • 논리 게이트: 다이오드-저항 논리는 AND와 OR 논리 게이트를 구성한다.
  • 방사선 검출: 반도체 다이오드는 우주선 및 기타 이온화 방사선에 민감하여 잡음 펄스와 단일 및 다중 비트 오류를 발생시키는데, 이 효과는 입자 검출기에서 방사선을 검출하는 데 활용된다.
  • 온도 측정: 다이오드는 순방향 전압 강하가 온도에 따라 달라지기 때문에 (실리콘 밴드갭 온도 센서) 온도 측정 장치로 사용된다.
  • 전류 흐름 방지: 의도하지 않은 방향으로의 전류 흐름을 방지한다. 예를 들어, 무정전 전원 장치는 필요할 때만 배터리에서 전류를 끌어오도록 다이오드를 사용한다.
  • 전자 악기 키보드: 키보드 매트릭스 회로에서 여러 음표를 동시에 누를 때 발생할 수 있는 "팬텀 키" 현상을 방지하기 위해 각 키 아래에 스위치와 함께 다이오드를 사용한다.
  • 신호 제한 (클리퍼): 신호의 양수 또는 음수 부분을 지정된 전압으로 제한한다.
  • 클램프 회로: 주기적인 교류 신호를 양수 또는 음수 피크가 특정 레벨에서 발생하도록 수직으로 이동시킨다.
  • 지수 및 로그 계산: 다이오드의 지수 함수적 전류-전압 관계를 이용하여 아날로그 전압 신호로 지수와 로그를 계산한다.
  • 발진 회로: 일반 반도체 다이오드를 애벌랜치 영역 근처에서 역 바이어스 상태로 만들고 교정된 전류 펄스를 주입하여 음의 미분 저항을 갖도록 하면, L/C 회로에 연결된 다이오드는 발진할 수 있다.
  • 환류 다이오드: 인덕턴스를 가진 회로에서 전류를 차단할 때 발생하는 큰 서지 전류를 다른 부하에 흐르지 않도록 부하에 대해 병렬로, 부하의 입출력 방향과 반대로 다이오드를 연결하여 서지 전류를 다이오드 쪽으로 흘려 보낸다.[64]

5. 2. 특수 응용

인덕턴스를 가진 회로에는 '''환류 다이오드'''[64]가 필수적이다. 인덕턴스를 가진 회로의 전류를 차단하면 큰 서지 전류가 발생하는데, 이를 방지하기 위해 부하에 병렬로, 부하의 입출력 방향과 반대로 다이오드를 연결한다. 이렇게 하면 서지 전류가 다이오드 쪽으로 흘러가게 된다.

철도 등에서 회생 제동으로 발생한 전류가 스위칭 소자로 흘러들어가지 않도록 병렬로 다이오드를 연결하는 것이 일반적이다. 이때 다이오드 방향은 스위칭 소자의 입출력 방향과 반대여야 한다. 스위칭 소자와 반대 방향으로 병렬 접속된 환류 다이오드를 하나의 기판 위에 탑재한 것을 역도통 소자라고 하며, 예를 들어 사이리스터 기판에 환류 다이오드를 탑재한 것은 '''역도통 사이리스터'''이다.

환류 다이오드는 전기자 초퍼 제어에서 전동기 부하를 줄이기 위한 폐회로 구성에도 중요한 역할을 한다. 초퍼 장치가 켜져 있을 때 충전된 리액터가 꺼져 있을 때 방전되는 특성을 이용하여, 전동기에 항상 전류가 흐르도록 하는 폐회로에서 환류 다이오드는 다른 곳에서 전류가 흘러 들어오는 것을 막고, 방출된 전류를 유도한다.

환류 다이오드는 프리휠 다이오드(freewheel diode) 또는 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)로 번역된다. 프리휠은 자전거 후륜에서 볼 수 있듯이, 회전력을 끊어도 바퀴가 계속 돌아가게 하는 장치를 말한다. 피드백 다이오드(feedback diode)나 플라이휠 다이오드(flywheel diode)라고도 한다. 플라이휠은 관성차를 의미하며, 회로(인덕턴스와 다이오드)를 원반에 비유했을 때 역기전력이 회전력이 되어 전류가 계속 흐르는 것을 나타낸다.

다이오드는 넓은 의미의 정류기(일방향 소자)로 사용되기도 한다. 광자 이동을 제어하는 "광 다이오드"[65](포토다이오드와는 다름), 열전달을 제어하는 "열 다이오드"[66]" 등은 전자 다이오드와 원리 및 구조가 다르다. 또한, 다이오드 소자를 활용한 단방향 게이트웨이는 "데이터 다이오드"[67]"라고 불린다.

참조

[1] 서적 Electronic Circuits: Fundamentals and Applications, 3rd Ed. https://books.google[...] Routledge
[2] 서적 Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing https://books.google[...] Butterworth-Heinemann
[3] 서적 The Art of Electronics, 2nd Ed. https://books.google[...] Cambridge University Press
[4] 웹사이트 Physical Explanation – General Semiconductors https://www.element1[...] 2010-08-06
[5] 웹사이트 The Constituents of Semiconductor Components http://www.element-1[...] 2010-08-06
[6] 웹사이트 All About LEDs https://learn.adafru[...] 2023-01-19
[7] 서적 Electronics Engineer's Reference Book, 4th Ed. https://books.google[...] Butterworth-Heinemann 2015
[8] 학술지 Trailblazers in Solid-State Electronics 2011
[9] 간행물 On a relation between heat and static electricity https://books.google[...] 1873-10
[10] 웹사이트 Thermionic phenomena and the laws which govern them https://www.nobelpri[...] 1929-12-12
[11] 특허 Electrical Meter 1884-10-21
[12] 학술지 The birth of electronics: Thermionic emission and vacuum 1998-05-01
[13] 웹사이트 Road to the Transistor http://www.jmargolin[...] Jmargolin.com 2008-09-22
[14] 학술지 Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle (On current conduction in metal sulphides) http://gallica.bnf.f[...] 1874
[15] 웹사이트 Karl Ferdinand Braun https://web.archive.[...]
[16] 서적 History of wireless https://books.google[...] John Wiley and Sons
[17] 특허 Means for receiving intelligence communicated by electric waves 1906-08-30
[18] 학술지 Development of Silicon Crystal Rectifiers for Microwave Radar Receivers https://archive.org/[...] 1947-01
[19] 잡지 Germanium Crystal Diodes http://www.americanr[...] 1946-02
[20] 웹사이트 Sylvania 1949 data book page https://web.archive.[...]
[21] 간행물 40 Uses for Germanium Diodes http://n4trb.com/Ama[...] Sylvania Electric Products Co. 1949
[22] 논문 The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure https://www.nature.c[...] 2022-04-00
[23] 웹사이트 W. H. Preece, "Multiplex Telegraphy", The Telegraphic Journal and Electrical Review, Vol. XIX, September 10, 1886, p. 252 https://books.google[...] 1886
[24] 웹사이트 SemiGen Inc. https://www.semigen.[...]
[25] 웹사이트 Advanced Semiconductor, Inc. https://web.archive.[...] 2018-05-24
[26] 웹사이트 Massachusetts Bay Technologies https://massbaytech.[...]
[27] 웹사이트 H. C. Torrey, C. A. Whitmer, Crystal Rectifiers, New York: McGraw-Hill, 1948 https://www.scribd.c[...]
[28] 웹사이트 H. Q. North, Asymmetrically Conductive Device, U.S. patent 2,704,818 https://patentimages[...]
[29] 웹사이트 U. S. Navy Center for Surface Combat Systems, Navy Electricity and Electronics Training Series, Module 11, 2012, pp. 2-81–2-83 https://archive.org/[...] 2012
[30] 웹사이트 Skyworks Solutions, Inc., Mixer and Detector Diodes http://www.skyworksi[...]
[31] 웹사이트 Microsemi Corporation Schottky web page https://www.microsem[...]
[32] 서적 Electronics Designers' Handbook McGraw-Hill 1977
[33] 웹아카이브 Diode reverse recovery in a boost converter http://ecee.colorado[...] 2011-10-07
[34] 논문 Gate-Controlled Reverse Recovery for Characterization of LDMOS Body Diode
[35] 웹아카이브 Inclusion of Switching Loss in the Averaged Equivalent Circuit Model http://ecee.colorado[...] 2011-10-07
[36] 논문 Tunnel Diode Circuit Analysis https://digital.libr[...] 1962-10-01
[37] 웹사이트 Current regulator diodes http://digikey.com/W[...] 2013-12-19
[38] 웹사이트 NTE data sheet http://www.nteinc.co[...]
[39] 웹사이트 Classification of components http://digikey.com/W[...] 2013-12-19
[40] 웹사이트 Component Construction http://arquivo.pt/wa[...] 2010-08-06
[41] 웹사이트 Component Construction http://digikey.com/W[...] Digikey.com 2013-12-19
[42] 웹사이트 Physics and Technology http://arquivo.pt/wa[...] 2010-08-06
[43] 웹사이트 Fast Recovery Epitaxial Diodes (FRED) Characteristics – Applications – Examples http://www.ixyspower[...] 2013-12-19
[44] 서적 Modern Semiconductor Device Physics Wiley Interscience
[45] 웹사이트 Protecting Low Current Loads in Harsh Electrical Environments http://digikey.com/W[...] Digikey.com 2013-12-19
[46] 논문 The physics of the tunnel diode
[47] 논문 An Analysis of Steady-State Nuclear Radiation Damage of Tunnel Diodes
[48] 웹사이트 About JEDEC http://www.jedec.org[...] Jedec.org 2008-09-22
[49] 웹사이트 Introduction dates of common transistors and diodes? https://web.archive.[...] EDAboard.com 2010-08-06
[50] 웹사이트 Transistor Museum Construction Projects Point Contact Germanium Western Electric Vintage Historic Semiconductors Photos Alloy Junction Oral History http://semiconductor[...] Semiconductormuseum.com 2008-09-22
[51] 논문 Introduction to Fiber-Optic Communications 2020
[52] 웹사이트 1N400x Diode Family Forward Voltage http://www.cliftonla[...] 2013-12-19
[53] 웹사이트 Cryogenic Temperature Sensors http://www.omega.com[...]
[54] 서적 The Principles of Electric Wave Telegraphy and Telephony https://archive.org/[...] Longmans, Green
[55] 간행물 On a relation between heat and static electricity https://books.google[...] 1873-10
[56] 웹사이트 1928 Nobel Lecture: Thermionic phenomena and the laws which govern them http://nobelprize.or[...] 1929-12-12
[57] 특허 Electrical Meter 1884-10-21
[58] 웹사이트 Road to the Transistor http://www.jmargolin[...] Jmargolin.com 2008-09-22
[59] 간행물 Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle (On current conduction in metal sulphides) http://gallica.bnf.f[...] 1874
[60] 웹사이트 Karl Ferdinand Braun https://web.archive.[...]
[61] 웹사이트 Diode http://encyclobeamia[...] Encyclobeamia.solarbotics.net 2014-01-02
[62] 서적 History of wireless https://books.google[...] John Wiley and Sons
[63] 텍스트
[64] 서적 パワー・デバイスIGBT活用の基礎と実際 MOSFETとトランジスタの特徴を活かしたスイッチング素子 https://www.worldcat[...] CQ出版 2011
[65] 웹사이트 液晶を使って光ダイオードを作製 http://www.op.titech[...] 東京工業大学
[66] 웹사이트 サーモエレクトロニクスを指向した基礎材料の開発 http://www.jst.go.jp[...] 科学技術振興機構
[67] 웹사이트 データダイオード Waterfall片方向セキュリティゲートウェイ http://www.toshiba.c[...] 東芝（インダストリアルICTソリューション社）
[68] 서적 Electronic Circuits: Fundamentals and Applications, 3rd Ed. http://books.google.[...] Routlege
[69] 웹인용 Electronics Components: Diodes http://www.dummies.c[...] John Wiley & Sons 2013-01-04
[70] 서적 Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing http://books.google.[...] Butterworth-Heinemann
[71] 서적 The Art of Electronics, 2nd Ed. http://books.google.[...] Cambridge University Press
[72] 웹인용 The Constituents of Semiconductor Components http://www.element-1[...] 2010-08-06
[73] 웹인용 Physical Explanation – General Semiconductors http://www.element-1[...] 2010-08-06
[74] 서적 The Mechatronics Handbook http://books.google.[...] CRC Press
[75] 서적 Digital Integrated Circuits: Analysis and Design http://books.google.[...] CRC Press
[76] 웹인용 Schottky Diode Technology & Structure http://www.radio-ele[...] radio-electronics.com 2013-09-09


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com