Zener 다이오드의 응용
다이오드에 역방향 바이어스를 걸면 아주 작은 누설전류가 흐른다. 그리고 계속 음의 값으로 전압을 높이게 되면 항복(breakdown)현상을 보인다.
항복 현상은 Zener와 산사태(avalanche breakdown)효과 등 두 가지 현상에 의해 발생한다.
Zener 효과
공간전하영역에서는 이온들만이 존재한다.
(공간전하영역은 아래 두 개 글 참고 ...)
1. 2022.03.23 [pn접합의 특성] pn 접합이란? 다이오드
2. 2022.03.24 [pn접합의 특성] pn 접합의 물리적 성질, 다이오드의 평형상태
그러나 충분히 높은 전기장(10e6 V/m 이상) 에서는 공유결합이 된 전자들의 결합이 전기장에 의해 깨어져 전자들이 자유롭게 될 수 있다.
이렇게 자유롭게 된 전자들에 의해 큰 전류가 형성되며 이를 Zener 효과 라고 부른다.
Zener 효과는 높은 전기장에서 발생하므로 공간전하영역의 폭이 아주 좁아야 한다. 이를 실현하기 위해서는 p와 n영역을 아주 높게 도핑하여야 한다. (10e15 cm^(-3) 정도)
Zener 효과의 경우, 산사태 효과(avalanche breakdown)에서 발생하는 전자의 이온과의 충돌은 일어나지 않는다. 공간전하영역의 폭이 너무 좁으므로 충돌할 충분한 거리가 되지 않기 때문이다.
산사태 효과(avalanche breakdown)
산사태 효과는 낮게 도핑한 일반적인 pn 접합에서 일어난다.
역바이어스에서 누설전류는 아주 작은 값을 가지므로 이에 따라 이동하는 캐리어(전자)의 수도 적다.
그러나 높은 전압에서는 공간전하영역으로 들어간 전자가 높은 전기장에 의해 가속되어 이온들과 충돌할 때 공유결합을 깨뜨릴 정도의 속도를 가질 수 있다.
이런 과정을 통해 공유결합에서 자유롭게 된 전자들은 계속적으로 이온들과 충돌하여 기하급수적으로 전자의 수를 불리게 된다. 이렇게 불어난 전자들이 접합영역을 넘어 이동함으로써 큰 전류가 발생하게 된다.
Zener 와 산사태 효과가 일어나는 전압의 영역이 다르다. 항복현상(breakdown)이 6V 이하에서 일어나면 Zener 효과에 의한 것이고 이보다 높은 전압에서 발생하면 산사태 효과에 의한 것이다.
따라서 산사태 효과의 경우 과도한 전류가 지속되기 때문에 다이오드가 열에 의해 파괴될 수 있다.
그리고 Zener 항복은 상사태 효과와는 달리 도핑 정도를 조절함으로써 항복전압을 결정할 수 있다. 이러한 Zener 항복을 이용한 것이 Zener 다이오드이다.
항복 다이오드(breakdown diodes)의 항복전압의 영역은 1V에서 수백V로 매우 다양하다. Zener 다이오드와 산사태 다이오드는 다르지만 보통 합쳐서 Zener 다이오드라고 부른다.
Zener 다이오드는 주로 전압표준(voltage reference)이나 전압 조정(voltage regulation)에서 사용하고 있다.
Zener 다이오드의 데이터에는 일률이 주어져 있다.
그리고 온도특성도 주어져 있는데 이는 온도 1℃ 의 변화에 대한 Vz 의 변화이다.
산사태 다이오드의 경우 온도계수는 대체로 +0.1%/℃ 정도이다. Zener 다이오드도 이와 비슷한 온도계수의 값을 가지나, 산사태 다이오드와는 다르게 마이너스 값을 가진다.
Zener 다이오드의 전류-전압 특성 그래프이다. Zener 항복은 전압 Vz에서 발생하며, 이에 따라 전압을 음의 값으로 Vz 이상 걸어주면 전류의 값에 관계없이 전압은 일정하게 유지된다.
오른쪽 그림은 이상적인 Zener 다이오드의 전류-전압 특성 그래프이다.
이렇게 Zener 다이오드는 -Vz 이하 값에서는 전류에 관계없이 전압이 일정하므로 전압 조정에 많이 사용되고 있다.
(전류는 음의 값으로 계속 증가하는데 전압은 Vz 의 값으로 거의 일정하게 유지되고 있음)
그리고 일반적인 다이오드는 순방향 전류를 사용하여 동작하게 하지만, 낮은 항복 전압을 갖는 Zener 다이오드와 같은 것은 역방향 전류를 이용하도록 고안되었다.
전압조정기 구조(network)에 이용되는 Zener 다이오드 회로 그림이다. 전압 V와 부하저항 R_L의 값은 고정되어 있다고 하자.
Zener 다이오드가 없다고 생각했을 때 부하저항에 걸리는 전압 V_L은 R과 R_L이 전압나누기(voltage divider)의 구조를 하고 있으므로 아래와 같이 구해진다.
*** 전압나누기 구조는 저항이 이렇게 직렬로 연결되어 있는 경우 소자에 걸리는 전압을 구하기 위해 사용할 수 있다.
직렬로 연결된 저항 두개 R1, R2 가 있다고 하면 R1, R2에는 동일한 전류가 흐르고 직렬 저항은 더할 수 있어서 총 저항을 R1+R2 라고 구할 수 있다. 그것을 이용해서 나온 식이다.***
이 전압 V_L이 Zener 다이오드의 항복전압 Vz보다 클 경우 Zener 다이오드는 on 상태가 된다.
반면에 전압 V_L이 Vz 보다 작을 경우 Zener 다이오드는 off 상태가 된다.
Zener 다이오드가 on 상태인 경우 V_L = Vz 가 되어 출력전압은 위 부하저항에 걸리는 전압 식에 고정된다.
이때 다이오드를 흐르는 전류는 Kirchoff 법칙을 통해서 구할 수 있다.
여기서
이다.
따라서 다이오드에서 소비되는 일률(Iz X Vz)은 아래와 같다.
이렇게 구해진 일률 값이 데이터에서 주어진 최대 일률 값인 P_ZM보다 작아야 한다. 그렇지 않을 경우 다이오드가 열에 의해 파괴될 수 있다.
Zener 다이오드가 on 상태에 있으면 출력은 V가 아니라 Vz 이다. 이 전압은 Zener 다이오드가 on 상태에 있는 한 변하지 않는다. 따라서 이와 같은 회로는 전압조정기의 표준전압(reference voltage)으로 많이 사용하고 있다.
전압 V가 고정되었을 경우 부하저항이 가질 수 있는 값의 영역에 대해 공부해보자.
Zener 다이오드의 데이터에는 최대일률 P_ZM 이외에 최대전류 I_ZM도 주어져 있다. 따라서 Zener 다이오드에는 최대 전류 이상의 전류를 흘리지 않아야 한다.
-. 부하저항의 최소값은?
Zener 다이오드가 on 상태에 있어야 하는 조건인 전압 식에서 V_L = V_Z를 만족하는 경우의 부하저항이다.
이 때 부하저항에는 최대전류가 흐른다.
-. 부하저항의 최대값은?
부하저항에 흐르는 전류는 Kirchoff 법칙으로 구할 수 있다.
Zener 다이오드에 최대전류 I_ZM가 흐를 때 부하저항에는 최소의 전류가 흐름을 알 수 있다.
즉, 부하저항의 최소전류는 I_R - I_ZM 이다.
따라서 부하저항의 최대값은 아래와 같다.
저항 R_L 이 고정되었을 경우 Zener 다이오드가 on이 되기 위한 전압 V의 조건 대해 공부해보자.
위에서 계속 쓰이는 Zener 다이오드가 on 상태가 되는 조건인 전압 식에서 V_L = V_Z 가 만족될 때의 전압 V의 최소값은 아래와 같다.
반면에 전압 V의 최대값은 I_ZM에 의해 제한을 받는다.
저항 R에 흐르는 전류는 Kirchoff 법칙에서 I_Z + I_L로 주어지므로 최대 전류는 I_ZM + I_L로 구해진다.
따라서 최대 전압은 아래와 같다.
품질 파라 중에 항복전압때문에 고생했던 기억이 있는데.. 이런 내용은 아니긴 했지만... 찬찬히 배워가고 있다
'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.
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