제너 다이오드
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1. 개요
제너 다이오드는 역 바이어스 전압이 특정 전압(제너 전압)을 초과할 때 전류를 허용하도록 설계된 특수 다이오드이다. 클래런스 제너의 연구를 바탕으로 개발되었으며, 제너 효과 또는 애벌랜치 효과를 이용하여 작동한다. 전압 기준 생성, 전압 조정, 과전압 보호, 파형 정형, 잡음 발생기, 전압 변환 등 다양한 전자 회로에 활용된다.
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제너 다이오드 | |
---|---|
제너 다이오드 | |
![]() | |
기본 정보 | |
유형 | 수동 |
작동 원리 | 제너 효과 |
발명자 | 클래런스 제너 |
기호 | [[File:Zener diode symbol-2.svg|55px]] |
핀 | 애노드 및 캐소드 |
영어 이름 | |
영어 | Zener diode |
2. 역사
이 소자는 1934년 전기 절연체의 파괴에 대한 이론적인 연구에서 제너 효과를 처음 설명한 미국의 물리학자 클래런스 제너의 이름을 따서 명명되었다. 이후 제너의 연구는 벨 연구소(Bell Labs)에서 제너 다이오드라는 전자 소자 형태로 구현되었다.[1]
3. 동작 원리
제너 다이오드는 전기 회로에 공급되는 전압을 안정화하는 데 자주 사용된다. 불안정한 전압원과 병렬로 역 바이어스되도록 연결하면, 전압이 항복 전압을 초과할 때 제너 효과가 발생하여 전압을 일정하게 유지한다.
이 회로에서 UIN(입력 전압)과 UOUT(출력 전압) 간의 전압 강하는 저항 R에 걸린다. 저항 R 값은 다음 두 가지 조건을 만족해야 한다.
1. 제너 다이오드(D)가 항복 상태를 유지할 수 있을 만큼 충분한 전류를 흘려보내기 위해 R은 충분히 작아야 한다. 이 전류 값은 D의 데이터시트에 명시되어 있다. 예를 들어, 5.6V 0.5W 제너 다이오드인 BZX79C5V6[12]의 경우, 권장되는 전류는 5mA이다. 전류가 너무 적으면 UOUT이 불안정해지고 공칭 항복 전압보다 낮아진다. 정전압 방전관의 경우에는 공칭 전압보다 높고 UIN에 가까워진다. 또한, UOUT에 연결된 외부 부하에 흐르는 전류의 변화도 고려하여 R을 결정해야 한다.
2. D를 흐르는 전류가 너무 커서 소자가 파손되지 않도록 R은 충분히 커야 한다. D를 흐르는 전류를 ID, 항복 전압을 VB, 정격 전력을 PMAX라고 하면, 를 만족해야 한다.
이러한 방식으로 제너 다이오드를 사용하는 것을 "션트 레귤레이터"라고 부른다. 션트 레귤레이터는 출력을 단락(shunt)하도록 소자를 병렬로 삽입하여 전압을 안정화(regulator)한다.
트랜지스터의 PN 접합에서 온도 계수를 상쇄하여 보정하기 위해, 애벌랜치 제너점을 중심으로 선택한 소자를 트랜지스터의 베이스-에미터에 직렬로 연결하여 사용하기도 한다. 이러한 사용 예로는 안정화 전원 회로의 피드백 루프 시스템에서 사용되는 DC 오류 증폭기가 있다.
3. 1. 제너 효과와 애벌랜치 효과
일반적인 반도체 다이오드는 역방향 바이어스 전압이 역항복 전압을 초과하면 상당한 전류를 허용한다. 역 바이어스 항복 전압을 초과하면 일반적인 다이오드는 애벌랜치 항복으로 인해 높은 전류를 전도한다. 이 전류가 외부 회로에 의해 제한되지 않으면, 과열되어 다이오드가 영구적으로 손상될 수 있다. 제너 다이오드는 거의 동일한 특성을 나타내지만, 낮은 항복 전압(제너 전압)을 갖도록 특별히 설계되었다. 일반적인 소자와는 달리, 역 바이어스된 제너 다이오드는 제어된 항복을 나타내고 전류가 제너 다이오드 양단의 전압을 제너 항복 전압에 가깝게 유지하도록 한다. 예를 들어, 3.2V의 제너 항복 전압을 가진 다이오드는 넓은 범위의 역전류에서 약 3.2V의 전압 강하를 나타낸다. 따라서 제너 다이오드는 기준 전압 생성 또는 저전류 애플리케이션의 전압 안정기와 같은 애플리케이션에 적합하다.[2]
애벌랜치 다이오드와 같이 유사한 효과를 생성하는 또 다른 메커니즘은 애벌랜치 효과이다.[2] 두 가지 유형의 다이오드는 실제로 유사한 방식으로 제작되며 두 가지 효과 모두 이러한 유형의 다이오드에 존재한다. 약 5.6볼트까지의 실리콘 다이오드에서는 제너 효과가 주된 효과이며 현저한 음의 온도 계수를 나타낸다. 5.6볼트를 초과하면 애벌랜치 효과가 우세하고 양의 온도 계수를 나타낸다.[3]
5.6V 다이오드에서는 두 가지 효과가 함께 발생하며 온도 계수가 거의 상쇄되므로 5.6V 다이오드는 온도에 민감한 애플리케이션에 유용하다. 장기간에 걸쳐 매우 안정적인 전압 기준이 필요한 경우에는 +2 mV/°C(항복 전압 6.2–6.3V)의 온도 계수(TC)를 가진 제너 다이오드를 동일한 칩에 제조된 순방향 바이어스 실리콘 다이오드(또는 트랜지스터 B-E 접합)와 직렬로 연결하는 대안이 사용된다.[4] 순방향 바이어스 다이오드는 -2 mV/°C의 온도 계수를 가지므로 TC가 상쇄되어 순 온도 계수가 거의 0에 가까워진다.
4.7V 제너 다이오드의 온도 계수는 약 -2 mV/°C의 실리콘 트랜지스터의 에미터-베이스 접합의 온도 계수와 가깝다. 따라서 4.7V 다이오드가 NPN 트랜지스터의 베이스에서 전압을 설정하는 간단한 조정 회로에서 에미터는 약 4V이고 온도에 따라 매우 안정적이다.
항복 전압에 관계없이 제너 다이오드와 애벌랜치 다이오드는 일반적으로 "제너 다이오드"라는 용어로 판매된다.
제너 효과가 우세한 5.6V 미만에서는 항복 근처의 IV 곡선이 훨씬 더 둥글게 나타나므로 바이어싱 조건을 선택할 때 더욱 주의해야 한다. 5.6V를 초과하는 제너의 IV 곡선(애벌랜치가 우세함)은 항복 시 훨씬 더 정확하다.
4. 종류
제너 다이오드는 온도에 따른 특성 변화를 보완하기 위해 다른 소자와 결합하거나 제조 방식을 개선하여 사용한다.
- 온도보상형 제너 다이오드: PN 접합 다이오드를 직렬로 연결하여 온도 변화에 따른 전압 안정성을 높인 소자이다.
- 매립형 제너 다이오드 (Buried zener diode): 제조 방법을 개선하여 밴드갭 기준전압보다 우수한 성능을 내는 기준전압소자이다.
- 표면형 제너 다이오드: NPN 트랜지스터의 에미터-베이스 접합을 활용한 제너 다이오드이다.
4. 1. 표면형 제너 다이오드
NPN 트랜지스터의 에미터-베이스 접합은 제너 다이오드처럼 동작하며, 일반적인 바이폴라 공정에서는 약 6.8V, BiCMOS 공정의 낮은 도핑 농도 베이스 영역에서는 약 10V에서 항복 전압이 발생한다. 도핑 특성 제어가 좋지 않았던 구형 공정에서는 제너 전압의 변화가 ±1V까지 이르렀지만, 이온 주입을 사용하는 신형 공정에서는 ±0.25V 이하로 제한할 수 있다. NPN 트랜지스터 구조는 집적 회로에서 '표면 제너 다이오드'로 사용될 수 있으며, 이 경우 컬렉터와 에미터를 공통 음극으로, 베이스 영역을 양극으로 연결한다. 이 방식에서 베이스 도핑 프로파일은 일반적으로 표면 쪽으로 좁아져, 애벌랜치 항복이 발생하는 강화된 전기장 영역을 생성한다. 강한 전기장에서 가속된 고속 캐리어는 접합부 위의 산화막층으로 주입되어 그곳에 포획될 수 있다. 포획된 전하의 축적은 '제너 워크아웃(Zener walkout)'을 유발할 수 있으며, 이는 접합부의 제너 전압 변화에 해당한다. 방사선 손상으로도 같은 효과를 얻을 수 있다.[6]에미터-베이스 제너 다이오드는 에너지가 매우 작은 베이스 공핍 영역에서 소산되기 때문에 낮은 전류만 처리할 수 있다. 더 많은 에너지 소산(더 높은 전류를 더 오래 흘리거나, 짧은 매우 높은 전류 스파이크)은 접합부 및/또는 그 접점에 열적 손상을 입힌다. 접합부의 부분적인 손상은 제너 전압을 변화시킬 수 있다. 접합부를 과열시켜 금속화가 접합부를 가로질러 이동하게 함으로써 제너 접합부를 완전히 파괴하는 것("스파이킹")은 의도적으로 '제너 잽(Zener zap)' 앤티퓨즈로 사용될 수 있다.[6]
4. 2. 매립형 제너 다이오드
매립형 제너 다이오드는 제너 다이오드의 제조 방법을 개선하여 일반적으로 이용되는 밴드갭 기준전압보다 우수한 성능을 나타내는 기준전압소자이다.표면 제너 다이오드와 유사하지만, 매립형 제너 다이오드는 도핑과 설계가 달라 애벌랜치(avalanche) 영역이 구조물의 더 깊은 곳, 일반적으로 산화물 아래 수 마이크로미터 지점에 위치한다. 따라서 고온 전자(hot carriers)는 산화물층에 도달하기 전에 반도체 격자와의 충돌을 통해 에너지를 잃게 되고, 산화물층에 포획되지 않는다. 따라서 제너 워크아웃(Zener walkout) 현상이 발생하지 않아 매립형 제너 다이오드는 수명 전반에 걸쳐 안정적인 전압을 유지한다. 대부분의 매립형 제너 다이오드는 5V~7V의 항복 전압을 갖는다. 여러 가지 다른 접합 구조가 사용된다.[7]
4. 3. 온도보상형 제너 다이오드
제너 다이오드만으로는 온도에 따른 특성 변화가 있기 때문에, PN 접합 다이오드를 직렬로 접속하여 온도 변화에 대한 전압 안정성을 개선한 소자이다.5. 응용
제너 다이오드는 전압 조정, 과전압 보호, 파형 정형, 잡음 발생, 전압 변환 등 다양한 용도로 활용된다.
- 전압 조정 및 기준: 소형 회로에서 전압을 조정하거나 안정적인 전압 기준을 제공한다.
- 과전압 보호: 서지 보호기에 사용되어 과도 전압 스파이크를 제한한다.
- 파형 클리퍼: 입력 신호의 양쪽을 잘라내어 파형을 정형하고 전압 스파이크를 방지한다.[11]
- 잡음 발생기: 애벌랜치 항복 잡음을 이용하여 난수 생성기 등에 사용된다.[10]
- 전압 시프터: 저항과 함께 회로에 적용되어 제너 다이오드의 항복 전압만큼 출력 전압을 낮춘다.
이 외에도 트랜지스터 p-n 접합의 온도 계수 보상, 안정화 전원 회로의 DC 오차 증폭기 등에도 활용된다.
5. 1. 전압 조정(Voltage Regulation)
제너 다이오드는 전압 기준 및 소형 회로의 전압을 조정하는 션트 조정기로 널리 사용된다. 가변 전압 소스와 병렬로 연결되어 역 바이어스되도록 연결되면, 제너 다이오드는 전압이 다이오드의 역항복 전압에 도달하면 전류를 흘린다. 그 시점부터 다이오드의 낮은 임피던스는 다이오드의 전압을 그 값으로 유지한다.[8]이 회로는 전형적인 전압 기준 또는 조정기로, 입력 전압 ''U''in(상단에 +)이 안정적인 출력 전압 ''U''out으로 조정된다. 다이오드 D의 항복 전압은 넓은 전류 범위에서 안정적이며, 입력 전압이 넓은 범위에서 변동하더라도 ''U''out을 거의 일정하게 유지한다. 이처럼 작동할 때 다이오드의 임피던스가 낮기 때문에 저항기 ''R''을 사용하여 회로의 전류를 제한한다.
이 간단한 기준의 경우, 다이오드에 흐르는 전류는 옴의 법칙과 저항기 ''R''의 알려진 전압 강하를 사용하여 결정된다.
:
''R''의 값은 두 가지 조건을 충족해야 한다.
# ''R''은 D를 통과하는 전류가 D를 역항복 상태로 유지할 만큼 충분히 작아야 한다. 이 전류의 값은 D의 데이터 시트에 나와 있다. 예를 들어, 일반적인 BZX79C5V6[9] 소자(5.6 V 0.5 W 제너 다이오드)는 권장 역전류가 5mA이다. D를 통과하는 전류가 충분하지 않으면 ''U''out이 조정되지 않고 공칭 항복 전압보다 낮아진다(이는 출력 전압이 공칭 값보다 높고 ''U''in만큼 높아질 수 있는 전압 조정관과 다르다). ''R''을 계산할 때는 이 다이어그램에 표시되지 않은 ''U''out에 연결된 외부 부하를 통과하는 전류를 고려해야 한다.
# ''R''은 D를 통과하는 전류가 소자를 파괴하지 않을 만큼 충분히 커야 한다. D를 통과하는 전류가 ''I''D이고, 항복 전압이 ''V''B이며, 최대 전력 소산이 ''P''max이면 다음과 같은 관계가 있다. .
이 기준 회로에서 다이오드에 부하를 연결할 수 있으며, 제너가 역항복 상태를 유지하는 한 다이오드는 부하에 안정적인 전압원을 제공한다. 이 구성의 제너 다이오드는 종종 더욱 고급 전압 조정기 회로의 안정적인 기준으로 사용된다.
션트 조정기는 간단하지만, 최악의 경우 작동(낮은 입력 전압과 높은 부하 전류가 동시에 발생) 중 과도한 전압 강하를 피하기 위해 밸러스트 저항이 충분히 작아야 한다는 요구 사항 때문에 대부분의 시간 동안 다이오드에 많은 전류가 흐르는 경향이 있으며, 이는 정지 상태의 전력 소산이 높은 상당히 비효율적인 조정기가 되어 작은 부하에만 적합하다.
이러한 소자는 트랜지스터 p-n 접합의 보상 온도 계수 균형을 도입하기 위해 베이스-에미터 접합과 직렬로 사용되며, 애벌랜치 또는 제너 지점을 중심으로 소자를 선택적으로 선택한다. 이러한 용도의 예로는 제어 전원 공급 장치 회로 피드백 루프 시스템에 사용되는 DC 오차 증폭기가 있다.
제너 다이오드는 과도 전압 스파이크를 제한하기 위해 서지 보호기에도 사용된다.
제너 다이오드는 전압 조정기 회로에 적용되어 선형 조정기와 같이 부하에 인가되는 전압을 조정할 수 있다.
5. 2. 전압 기준(Voltage Reference)

제너 다이오드는 전압 기준 및 소형 회로의 전압을 조정하는 션트 조정기로 널리 사용된다. 가변 전압 소스와 병렬로 연결되어 역 바이어스되도록 연결되면, 제너 다이오드는 전압이 다이오드의 역항복 전압에 도달하면 전류를 흘린다. 그 시점부터 다이오드의 낮은 임피던스는 다이오드의 전압을 그 값으로 유지한다.[8]
이 회로는 전형적인 전압 기준 또는 조정기로, 입력 전압 ''U''in(상단에 +)이 안정적인 출력 전압 ''U''out으로 조정된다. 다이오드 D의 항복 전압은 넓은 전류 범위에서 안정적이며, 입력 전압이 넓은 범위에서 변동하더라도 ''U''out을 거의 일정하게 유지한다. 이처럼 작동할 때 다이오드의 임피던스가 낮기 때문에 저항기 ''R''을 사용하여 회로의 전류를 제한한다.
이 간단한 기준의 경우, 다이오드에 흐르는 전류는 옴의 법칙과 저항기 ''R''의 알려진 전압 강하를 사용하여 결정된다.
:
''R''의 값은 두 가지 조건을 충족해야 한다.
# ''R''은 D를 통과하는 전류가 D를 역항복 상태로 유지할 만큼 충분히 작아야 한다. 이 전류의 값은 D의 데이터 시트에 나와 있다. 예를 들어, 일반적인 BZX79C5V6[9] 소자(5.6 V 0.5 W 제너 다이오드)는 권장 역전류가 5mA이다. D를 통과하는 전류가 충분하지 않으면 ''U''out이 조정되지 않고 공칭 항복 전압보다 낮아진다(이는 출력 전압이 공칭 값보다 높고 ''U''in만큼 높아질 수 있는 전압 조정관과 다르다). ''R''을 계산할 때는 이 다이어그램에 표시되지 않은 ''U''out에 연결된 외부 부하를 통과하는 전류를 고려해야 한다.
# ''R''은 D를 통과하는 전류가 소자를 파괴하지 않을 만큼 충분히 커야 한다. D를 통과하는 전류가 ''I''D이고, 항복 전압이 ''V''B이며, 최대 전력 소산이 ''P''max이면 다음과 같은 관계가 있다. .
이 기준 회로에서 다이오드에 부하를 연결할 수 있으며, 제너가 역항복 상태를 유지하는 한 다이오드는 부하에 안정적인 전압원을 제공한다. 이 구성의 제너 다이오드는 종종 더욱 고급 전압 조정기 회로의 안정적인 기준으로 사용된다.
션트 조정기는 간단하지만, 최악의 경우 작동(낮은 입력 전압과 높은 부하 전류가 동시에 발생) 중 과도한 전압 강하를 피하기 위해 밸러스트 저항이 충분히 작아야 한다는 요구 사항 때문에 대부분의 시간 동안 다이오드에 많은 전류가 흐르는 경향이 있으며, 이는 정지 상태의 전력 소산이 높은 상당히 비효율적인 조정기가 되어 작은 부하에만 적합하다.
이러한 소자는 일반적으로 베이스-에미터 접합과 직렬로 사용되며, 애벌랜치 또는 제너 지점을 중심으로 소자를 선택적으로 선택하여 트랜지스터 p-n 접합의 보상 온도 계수 균형을 도입하는 데 사용할 수 있다. 이러한 용도의 예로는 제어 전원 공급 장치 회로 피드백 루프 시스템에 사용되는 DC 오차 증폭기가 있다.
제너 다이오드는 또한 과도 전압 스파이크를 제한하기 위해 서지 보호기에 사용된다.
5. 3. 과전압 보호(Surge Protection)
제너 다이오드는 과전압 스파이크를 제한하기 위해 서지 보호기에 사용된다. 또한 전기 회로에 공급되는 전압을 안정화하는 데 자주 사용된다. 불안정한 전압원과 병렬로 역 바이어스가 되도록 연결하여, 그 전압이 항복 전압을 초과할 때 제너 효과가 발생하여 일정 전압이 유지된다.이 회로에서 UIN에서 UOUT로의 전압 강하는 저항 R에 걸린다. R의 값은 다음 두 가지 조건을 만족해야 한다.
# D의 항복 상태를 유지할 수 있을 만큼 충분한 전류를 흘리기 위해 R은 충분히 작아야 한다. 이 전류 값은 D의 데이터시트에 명시되어 있다. 예를 들어, 5.6V 0.5W 제너 다이오드인 BZX79C5V6[12]의 경우 5mA가 권장된다. 전류가 너무 적으면 UOUT이 불안정해지고 공칭 항복 전압보다 낮아진다. (정전압 방전관(VR tube)의 경우에는 공칭 전압보다 높고 UIN에 가까워진다). 이 그림에는 표시되어 있지 않지만 UOUT에 연결된 외부 부하에 흐르는 전류의 변화도 고려하여 R을 결정해야 한다.
# D를 흐르는 전류가 너무 커서 소자가 파손되지 않도록 R은 충분히 커야 한다. D를 흐르는 전류를 ID, 항복 전압을 VB, 정격 전력을 PMAX라고 하면, 이어야 한다.
이러한 방식으로 제너 다이오드를 사용한 것을 "션트 레귤레이터"라고 부른다(출력을 단락(shunt)하도록 소자를 병렬로 삽입하여 전압을 안정화(regulator)한다).
트랜지스터의 PN 접합에서의 온도 계수를 상쇄하여 보정하기 위해, 애벌랜치 제너점을 중심으로 선택한 소자를 트랜지스터의 베이스-에미터에 직렬로 연결하여 사용되는 경우도 흔하다. 이러한 사용 예로는 안정화 전원 회로의 피드백 루프 시스템에서 사용되는 DC 오류 증폭기가 있다.
5. 4. 파형 정형(Waveform Clipping)
직렬로 마주보는 두 개의 제너 다이오드는 입력 신호의 양쪽 절반을 모두 잘라낸다. 파형 클리퍼는 신호의 형태를 바꿀 뿐만 아니라 전원 공급 장치에 연결된 회로에 영향을 미칠 수 있는 전압 스파이크를 방지하는 데에도 사용할 수 있다.[11]5. 5. 잡음 발생기(Noise Generator)
제너 다이오드는 애벌랜치 항복 잡음을 이용하는 데 사용될 수 있다.[10] 예를 들어, 디더링을 위해 아날로그-디지털 변환기에서 RMS 레벨이 최소 유효 비트(lsb)의 1/3에서 1에 해당하는 경우나 난수 생성기를 만드는 데 활용할 수 있다.5. 6. 전압 변환 (Voltage Shifter)
제너 다이오드는 저항과 함께 회로에 적용되어 전압 시프터 역할을 할 수 있다. 이 회로는 제너 다이오드의 항복 전압과 같은 양만큼 출력 전압을 낮춘다.제너 다이오드는 전기 회로에 공급되는 전압을 안정화하는 데 자주 사용된다. 불안정한 전압원과 병렬로 역 바이어스가 되도록 연결하여, 그 전압이 항복 전압을 초과할 때 제너 효과가 발생하여 일정 전압이 유지된다.
이 회로에서 UIN에서 UOUT로의 전압 강하가 저항 R에 걸린다. R의 값은 다음 두 가지 조건을 만족해야 한다.
# D의 항복 상태를 유지할 수 있을 만큼 충분한 전류를 흘리기 위해 R은 충분히 작아야 한다. 이 전류 값은 D의 데이터시트에 명시되어 있다. 예를 들어, 5.6V 0.5W 제너 다이오드인 BZX79C5V6[12]의 경우 5mA가 권장된다. 전류가 너무 적으면 UOUT이 불안정해지고 공칭 항복 전압보다 낮아진다. 이 그림에는 표시되어 있지 않지만 UOUT에 연결된 외부 부하에 흐르는 전류의 변화도 고려하여 R을 결정해야 한다.
# D를 흐르는 전류가 너무 커서 소자가 파손되지 않도록 R은 충분히 커야 한다. D를 흐르는 전류를 ID, 항복 전압을 VB, 정격 전력을 PMAX라고 하면, IDVB < PMAX이어야 한다.
이러한 방식으로 제너 다이오드를 사용한 것을 "션트 레귤레이터"라고 부른다(출력을 단락(shunt)하도록 소자를 병렬로 삽입하여 전압을 안정화(regulator)한다).
트랜지스터의 PN 접합에서의 온도 계수를 상쇄하여 보정하기 위해, 애벌랜치 제너점을 중심으로 선택한 소자를 트랜지스터의 베이스-에미터에 직렬로 연결하여 사용되는 경우도 흔하다. 이러한 사용 예로는 안정화 전원 회로의 피드백 루프 시스템에서 사용되는 DC 오류 증폭기가 있다.
참조
[1]
뉴스
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https://www.nytimes.[...]
1993-07-06
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https://archive.org/[...]
McGraw Hill
[3]
서적
The Electrical Engineering Handbook
CRC Press
[4]
서적
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Fluke
[5]
서적
Basic Electronics
Firewall Media
[6]
저널
Zener Zap Anti-Fuse Trim in VLSI Circuits
[7]
서적
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Prentice Hall
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서적
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Cambridge University Press
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http://www.fairchild[...]
Fairchild Semiconductor
2014-07-22
[10]
서적
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Prentice Hall
[11]
서적
Electronic Devices: Systems and Applications
https://books.google[...]
Thomas Delmar Learning
2014-07-22
[12]
웹사이트
BZX79C5V6 data sheet
http://www.fairchild[...]
Fairchild Semiconductor
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