애벌랜치 다이오드
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1. 개요
애벌랜치 다이오드는 전압 기준, 과전압 보호, 노이즈 생성, 마이크로파 생성, 단일 광자 검출 등 다양한 용도로 사용되는 반도체 다이오드의 한 종류이다. 항복 후 전압이 전류 변화에 따라 크게 변동하지 않아 전압 기준으로 사용되며, 전자 회로의 과전압 보호를 위해 클램핑 다이오드 또는 과도 전압 억제 다이오드로도 활용된다. 또한 무선 주파수 잡음을 생성하여 무선 장비 및 하드웨어 난수 생성기의 노이즈 소스로 사용되며, 공진 회로에 배치되어 부성 저항 소자 역할을 하거나 임팩트 다이오드로 주파수를 발생시키기도 한다. 단일 광자를 감지하는 데 사용되는 실리콘 애벌랜치 포토다이오드는 고속, 저조도 응용 분야에 적합하다.
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| 애벌랜치 다이오드 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 수동 부품 |
| 작동 원리 | 애벌랜치 항복 |
| 상세 정보 | |
| 발명 | 해당 사항 없음 |
| 최초 생산 | 해당 사항 없음 |
| 기호 | 해당 사항 없음 |
| 온도 계수 | 양수 |
| 동적 저항 | 음의 동적 저항을 가질 수 있음 |
| 용도 | 마이크로파 발진기 레이저 드라이버 무작위 잡음 발생기 |
| 특징 | |
| 설명 | 항복 전압을 초과하면 애벌랜치 항복을 겪는 반도체 다이오드 |
| 응용 분야 | 과전압 보호 |
| 관련 현상 | 제너 효과 |
| 기타 | |
| 주의 사항 | 애벌랜치 다이오드는 역전압 항복을 이용 일반적인 다이오드는 손상될 수 있음 |
2. 용도
애벌랜치 다이오드는 그 독특한 전기적 특성을 이용하여 다양한 분야에서 활용된다. 주요 용도는 다음과 같다.
- 전압 기준: 항복 현상 이후 전압이 거의 일정하게 유지되는 특성을 이용하여 정전압을 제공하는 기준 전압 소자로 사용된다.
- 과전압 보호: 전자 회로를 순간적인 고전압으로부터 보호하기 위해 사용된다. 특정 전압 이상이 되면 애벌랜치 항복을 통해 과도한 전류를 안전하게 흘려보내 회로를 보호하며, 이러한 용도로 사용될 때 클램핑 다이오드 또는 과도 전압 억제 다이오드라고도 불린다.
- 노이즈 생성: 무선 주파수(RF) 대역에서 의도적인 잡음을 발생시키는 데 사용된다. 이는 무선 장비의 테스트나 하드웨어 난수 생성기 등에 활용된다.
- 마이크로파 생성: 특정 조건 하에서 부성 저항 특성을 나타내어 마이크로파를 발진시키는 데 사용될 수 있다. 임팩트 다이오드는 이러한 목적에 최적화된 애벌랜치 다이오드의 한 종류이다.
- 광검출기: 매우 낮은 수준의 빛, 심지어 단일 광자까지 검출할 수 있는 고감도 광검출기로 사용된다. 특히 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 이러한 응용을 위한 대표적인 소자이다.[3]
2. 1. 전압 기준
항복 현상 이후 애벌랜치 다이오드의 전압은 흐르는 전류가 변하더라도 거의 일정하게 유지된다. 이러한 특성 덕분에 애벌랜치 다이오드는 일종의 전압 기준으로 유용하게 사용될 수 있다. 일반적으로 6~8볼트 이상의 정격 전압을 가지는 전압 기준 다이오드는 애벌랜치 다이오드인 경우가 많다.2. 2. 과전압 보호
애벌랜치 다이오드의 일반적인 응용 분야 중 하나는 전자 회로를 과전압으로부터 보호하는 것이다. 다이오드를 회로에 특정 방식으로 연결하여 전압이 일정 수준 이상으로 높아지는 것을 방지하는 원리를 이용한다.2. 2. 1. 클램핑 다이오드
애벌랜치 다이오드의 일반적인 응용 분야 중 하나는 전자 회로를 과전압으로부터 보호하는 것이다. 이를 위해 애벌랜치 다이오드를 회로에 역방향으로 연결하는데, 이는 음극이 양극보다 높은 전압을 갖도록 연결하는 방식이다. 평상시 이 상태에서 다이오드는 전기가 통하지 않아(비전도성) 회로 작동에 영향을 주지 않는다. 그러나 회로의 전압이 설계된 한계치를 넘어서면, 다이오드는 애벌랜치 붕괴 상태가 되어 과도한 전압을 접지로 흘려보낸다. 이처럼 전압을 미리 정해진 최대 수준으로 고정시키는(클램핑하는) 역할을 하기 때문에, 이런 용도로 사용될 때 애벌랜치 다이오드를 클램핑 다이오드 또는 과도 전압 억제 다이오드라고 부른다. 애벌랜치 다이오드의 이러한 성능은 주로 클램핑 전압 ''V''BR과 순간적으로 흡수할 수 있는 최대 에너지(단위는 줄(J) 또는 ''i''2''rt''로 표시)로 규정된다. 애벌랜치 항복 현상 자체는 다이오드를 파괴하지 않지만, 과도한 전류로 인해 다이오드가 과열되면 손상될 수 있다.2. 3. 노이즈 생성
애벌랜치 다이오드는 무선 주파수(RF) 영역에서 잡음(노이즈)을 생성하는 특성을 가진다. 이 때문에 특정 전자 회로에서 의도적인 잡음원으로 활용되기도 한다.2. 3. 1. 무선 주파수 노이즈 발생
애벌랜치 다이오드는 무선 주파수 잡음을 생성한다. 이러한 특성 때문에 무선 장비나 하드웨어 난수 생성기에서 잡음원으로 흔히 사용된다. 예를 들어, 안테나 분석기 브리지의 RF 소스로 자주 사용되며, 백색 잡음 발생기로도 활용될 수 있다.2. 3. 2. 백색 잡음 발생기
애벌랜치 다이오드는 무선 주파수(RF) 영역에서 잡음(노이즈)을 발생시키는 특성을 가진다. 이러한 특성 때문에 무선 장비나 하드웨어 난수 생성기 등에서 잡음원으로 흔히 사용된다. 예를 들어, 안테나 분석기의 브리지 회로에 필요한 무선 주파수 신호를 생성하는 소스로 활용되기도 한다. 또한, 백색 잡음을 만들어내는 발생기로도 사용될 수 있다.2. 4. 마이크로파 생성
공진 회로에 배치되면, 애벌랜치 다이오드는 부성 저항 소자 역할을 할 수 있다.2. 4. 1. 임팩트 다이오드
임팩트 다이오드는 주파수 발생에 최적화된 애벌랜치 다이오드이다. 애벌랜치 다이오드는 공진 회로에 배치될 경우 부성 저항 소자 역할을 할 수 있다.2. 5. 단일 광자 검출
애벌런치 다이오드는 애벌런치 항복 효과를 이용하여 매우 낮은 수준의 빛, 심지어 단 하나의 광자까지도 감지할 수 있는 고감도 광검출기로 활용될 수 있다. 특히 실리콘을 기반으로 제작된 애벌런치 포토다이오드는 높은 이득을 가지며 고속 및 저조도 환경에서의 응용에 적합하다.[3] 자세한 내용은 단일 광자 애벌런치 다이오드 문서를 참고할 수 있다.2. 5. 1. 단일 광자 애벌랜치 다이오드 (SPAD)
단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 도핑된 실리콘으로 만들어지며, 단 하나의 광자까지 감지하기 위해 애벌런치 항복 효과를 이용한다. 이는 고이득 광자 검출기이다. 이 다이오드는 "고속, 저조도 응용 분야에 사용하기에 이상적"이다.[3] SPAD는 항복 전압보다 약간 낮은, 수백 볼트에 이르는 역 바이어스 전압으로 작동한다. 이 영역에서 입사 광자에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 전기장에서 많은 양의 에너지를 얻어 더 많은 2차 전하 캐리어를 생성한다. 단 하나의 광자에 의한 광전류도 이러한 방식으로 감지될 수 있다.참조
[1]
서적
Electronics Engineer's Reference Book, 4th Edition
Newnes
1976
[2]
서적
Microelectronics
McGraw-Hill
1979
[3]
웹사이트
Advanced Photonix: Silicon Avalanche Photodiodes and Modules
http://www.advancedp[...]
Advanced Photonix
2011-12-10
[4]
서적
Electronics Engineer's Reference Book, 4th Edition
Newnes
1976
[5]
서적
Microelectronics
McGraw-Hill
1979
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