다이오드 회로
다이오드는 pn 접합으로써 순바이어스에서는 전류가 흐르고 역바이어스에 대해서는 전류가 형성되지 않는 정류 작용을 한다는 것을 이전 글에서 공부했다.
2022.03.23 - [self 반도체&전자회로 공부] - [pn접합의 특성] pn 접합이란? 다이오드
이러한 다이오드의 특성이 여러 전자회로에 응용되고 있다.
-. 다이오드의 대표적인 응용의 예는 교류를 직류로 바꾸는 정류회로이다. 다이오드와 저항, 축전기를 이용하여 교류를 직류로 바꿀 수 있다.
-. 입력신호의 일부분을 잘라내는(clip) 회로를 다이오드를 이용하여 구성할 수 있다. 회로 내에서 다이오드의 방향을 조절함으로써 + 또는 - 부분의 입력신호를 다른 부분에는 왜곡이 발생하지 않도록 잘라낼 수 있다.
다이오드를 이용한 클리퍼(clipper) 회로에는 다이오드를 입력신호롸 직렬로 연결하거나 또는 병렬로 연결하는 두 가지 회로가 가능하다.
-. 입력 신호를 일정한 값만큼 끌어올리거나 내리는(clamp) 회로를 다이오드를 이용하여 구성할 수 있다. 이러한 회로에는 다이오드와 함께 축전기와 저항이 반드시 포함된다.
그리고 dc 전원을 이용하여 입력신호를 더 이동(shift)시킬 수 도 있다. 클램퍼 회로에서는 저항과 축전기의 시정수(time constant)가 충분히 커서, 다이오드가 역바이어스 상태가 될 때에도 축전기는 방전이 되지 않아야 한다.
-. 다이오드는 디지털 논리회로에도 사용되고 있다. DDL(diode-diode logic) 또는 DTL(diode-transistor logic) 회로에 다이오드가 사용되고 있다.
-. Zener 다이오드에서는 출력전압을 일정하게 유지시키는 전압조정기(voltage regulator)에 사용되고 있다. Zener 다이오드에서는 전압이 제너 전압보다 클 경우(음의 값으로) 전류의 값에 관계없이 전압이 제너 전압으로 일정하게 된다.
이 전압 영역을 항복영역(breakdown region)이라고 부른다.
다이오드의 불순물 농도를 조절하여 2~300V 의 제너 전압을 가지는 Zener 다이오드를 만들 수 있다.
이외에도 전압 크기 조절(voltage multiplier) 등에도 다이오드가 이용되고 있다.
다이오드 모델
위 그림은 다이오드 특성곡선의 근사적인 그림이다.
가장 왼쪽의 그림은 이상적인 (ideal) 모델을 나타낸다. 이 모델은 역바이어스에서는 전류가 형성되지 않고 순바이어스에서만 전류가 형성되는 이상적인 다이오드 모델을 나타낸다.
* 다이오드가 전도(conduction) 될 때 저항이 0이라는 가정을 한 것이다.
반면에 중간의 그림은 실리콘으로 만든 다이오드의 경우 0.7V 이상에서만 전도가 되는 실질적인 다이오드에 가까운 모델이다.(게르마늄으로 만든 경우 0.3V, 갈륨-아스나이드(GaAs)로 만든 경우 1.5V)
* 다이오드가 전도(conduction) 될 때 저항이 0이라는 가정을 한 것이다.
오른쪽 그림은 0.7V 이상에서 전압에 따른 전류의 증가를 직선적으로 나타낸 것이다.
다이오드의 전류-전압 특성곡선은 지수적인 모양을 보이는데, 실제로 사용하는 전압영역에서는 직선적으로 근사할 수 있다. 가장 오른쪽 그림은 이 저항(주로 수Ω 정도)을 고려한 것이다.
여기서 직선의 기울기는 저항을 나타낸다. 실제 회로에서는 경우에 따라 위 그림의 모델을 사용하고 있다.
그림은 간단한 다이오드 회로이다. 여기서 다이오드는 전원과 직렬로 연결되어 있다.
실질적 다이오드 모델을 이용하여 다이오드 회로를 분석해보자.
다이오드를 전도(conduction, on) 상태로 만들기 위해서는 0.7V 이상의 전원이 필요하다.
이에 따라 전원 V 가 0.7V 이하이면 다이오드는 끊긴 상태(off)가 되고 전류는 형성되지 않는다.
반면에 전원 V가 0.7V 이상인 경우 다이오드는 전도 상태이므로 다이오드를 0.7V 의 전압강하로 표시할 수 있다.
이 때 회로를 흐르는 전류는 폐회로에서의 Kirchoff 법칙을 이용하면 (V-0.7) = I*R 이므로 아래와 같다.
따라서 다이오드의 동작점(operation point, quiescent point 또는 Q-point)은 전압은 0.7V, 전류는 위 식으로 주어진다.
이 동작점을 그래프로 표현하면 아래와 같다.
왼쪽 그림은 다이오드의 실제 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 여기서 부하선(load line)은 다이오드 회로에서 다이오드 전압을 V_D 로 표현할 경우 폐회로의 Kirchoff 법칙에서 V - V_D = IR 을 그린 것이다.
V_D = 0 인 경우 전류는 V/R 이고, 전류 I = 0 인 경우 전압(V_D)은 V가 되므로 축 위의 두 점을 직선으로 이은 것이다.
다이오드의 특성곡선과 이 부하선이 만나는 지점이 다이오드의 동작점이 된다.
위 그림의 오른쪽 그림은 이상적인 다이오드의 모델을 사용한 것이다. 이 그림에서 특성곡선과 부하선이 만나는 동작점에서 전류는 (V-0.7)/R 이고 전압은 0.7V 이다.
'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.
'self.반도체&전자회로 공부' 카테고리의 다른 글
| [다이오드] 다이오드 클리퍼 & 클램퍼 회로 - 1 (0) | 2022.04.04 |
|---|---|
| [다이오드] 다이오드 정류회로 (0) | 2022.04.03 |
| [트랜지스터의 특성] 장 효과 트랜지스터 - JFET 와 CMOS (0) | 2022.04.01 |
| [트랜지스터의 특성] 장 효과 트랜지스터 - MOSFET - 2 (0) | 2022.03.31 |
| [트랜지스터의 특성] 장 효과 트랜지스터 - MOSFET (0) | 2022.03.30 |
댓글