다이오드 란?
일반적으로 모든 전자 장치는 DC 전원이 필요하지만 DC 전원을 생성하는 것은 불가능하므로 일부 DC 전원을 얻을 수있는 대안이 필요하므로 AC 전원을 DC 전원으로 변환하기 위한 다이오드 사용이 그림 에 나타납니다. 다이오드는 거의 모든 전자 회로에 사용되는 작은 전자 부품으로 한 방향으로 만 전류를 흐르게합니다 ( 단방향 장치 ). 전자 부품을 만드는 반도체 재료의 사용은 다이오드에서 시작되었다고 말할 수 있습니다. 다이오드가 발명되기 전에는 진공관이 있었는데,이 두 장치의 적용은 비슷하지만 진공관이 차지하는 크기는 다이오드보다 훨씬 큽니다. 진공관의 구조는 약간 복잡하고 반도체 다이오드와 비교할 때 유지 관리가 어렵습니다. 몇몇 다이오드 어플리케이션은 전기 에너지를 빛 에너지로 빛 에너지로 정류, 증폭, 전기 스위치, 전기 에너지를 변환된다.
다이오드의 역사:
1940 년 Bell Labs에서 Russell Ohl은 그 특성을 알아보기 위해 실리콘 크리스탈로 작업했습니다. 어느 날 우연히 균열이있는 실리콘 결정이 햇빛에 노출되었을 때, 그는 결정을 통해 전류의 흐름을 발견하고 나중에 그것을 다이오드 라고 불렀 는데, 이는 반도체 시대의 시작이었습니다.
다이오드의 구성:
고체 재료는 일반적으로 도체, 절연체 및 반도체의 세 가지 유형으로 분류됩니다. 도체에는 최대 자유 전자 수가 있고 절연체에는 최소 자유 전자 수가 있으며 (전류 흐름이 전혀 가능하지 않을 정도로 무시할 수 있음) 반도체 는 적용되는 전위에 따라 도체 또는 절연체가 될 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 반도체 는 실리콘과 게르마늄 입니다. 실리콘은 지구상에서 많이 구할 수 있고 더 나은 열 범위를 제공하기 때문에 선호됩니다.
반도체는 Intrinsic 및 Extrinsic 반도체의 두 가지 유형으로 더 분류됩니다 .
고유 반도체:
이들은 전하 캐리어 (전자 및 정공)가 실온에서 동일한 양으로 존재하는 순수 반도체라고도합니다. 따라서 전류 전도는 정공과 전자 모두에 의해 동일하게 발생합니다.
외부 반도체:
물질의 정공 또는 전자의 수를 늘리기 위해 실리콘에 불순물 (실리콘과 게르마늄 또는 단순히 3가 또는 5가 물질 제외)이 첨가 된 외부 반도체를 사용합니다. 순수 반도체에 불순물을 첨가하는이 과정을 도핑 이라고합니다 .
P 형 및 N 형 반도체의 형성:
N 형 반도체:
5가 원소 (가전 자 수는 5 개)가 Si 또는 Ge에 추가되면 자유 전자를 사용할 수 있습니다. 전자 (음으로 하전 된 캐리어)가 더 많기 때문에 N 형 반도체 라고 합니다. N 형에서 반도체 전자는 대부분의 전하 캐리어이고 정공은 소수 전하 캐리어입니다.
5가 원소는 인, 비소, 안티몬 및 비스무트 입니다. 이것들은 여분의 원자가 전자를 가지고 있고 외부 양으로 하전 된 입자와 짝을 이룰 준비가되어 있기 때문에이 원소들을 Donors 라고 부릅니다.
P 형 반도체
마찬가지로 붕소, 알루미늄, 인듐 및 갈륨과 같은 3가 원소가 Si 또는 Ge에 추가되면 그 안에있는 원자가 전자의 수가 3 개이기 때문에 구멍이 생성됩니다. 구멍이 전자를 받아 쌍을 이룰 준비가 되었기 때문에이를 Acceptors 라고합니다 . 새로 형성된 재료에서 홀의 수가 초과되어이를 P 형 반도체 라고 합니다. P 형 반도체에서 정공은 대부분의 전하 캐리어이고 전자는 소수 전하 캐리어입니다.
PN 접합 다이오드:
이제 두 가지 유형의 반도체 P 형과 N 형을 결합 하면 PN 접합 다이오드 라고하는 새로운 장치가 형성됩니다. P 형과 N 형 재료 사이에 접합이 형성되기 때문에 PN 접합이라고합니다.
다이오드라는 단어는 'Di'는 2를 의미하고 'ode'는 전극에서 얻은 것으로 설명 할 수 있습니다. 새로 형성된 부품은 두 개의 단자 또는 전극 (하나는 P 형에 연결되고 다른 하나는 N 형에 연결됨)을 가질 수 있으므로 다이오드 또는 PN 접합 다이오드 또는 반도체 다이오드라고 합니다.
P 형 재료에 연결된 단자를 Anode 라고 하고 N 형 재료에 연결된 단자를 Cathode 라고 합니다.
다이오드 의 상징적 표현은 다음과 같습니다.
화살표는 다이오드가 순방향 바이어스 모드 일 때 전류 흐름을 나타내고 화살표 끝의 대시 또는 블록은 반대 방향에서의 전류 차단을 나타냅니다.
PN 접합 이론:
우리는 다이오드가 P 및 N 반도체로 어떻게 만들어 지는지 보았지만 한 방향으로 만 전류를 허용하는 고유 한 속성을 형성하기 위해 내부에서 어떤 일이 발생하는지, 그리고 그 접합부에서 처음에 정확한 접점에서 일어나는 일을 알아야합니다.
접합 형성:
처음에 두 재료가 함께 결합되면 (외부 전압이 적용되지 않음) N 형의 과잉 전자와 P 형의 과잉 정공이 서로 끌어 당겨 움직이지 않는 이온 (도너 이온)이 형성되는 곳에서 재결합됩니다. 및 Acceptor ion)은 아래 그림과 같이 발생합니다. 이러한 고정 이온은 전자 또는 정공의 흐름에 저항하여 두 물질 사이의 장벽 역할을합니다 (장벽 형성은 고정 이온이 P 및 N 영역으로 확산됨을 의미합니다). 지금 형성되는 장벽을 공핍 영역 이라고 합니다. 이 경우 공핍 영역의 폭은 재료의 도핑 농도에 따라 달라집니다.
두 재료에서 도핑 농도가 같으면 고정 이온이 P 및 N 재료로 똑같이 확산됩니다.
도핑 농도가 서로 다르면 어떻게됩니까?
음, 도핑이 다르면 공핍 영역의 폭도 다릅니다. 그것의 확산은 저농도로 도핑 된 영역으로 더 많이 확산되고 고농도로 도핑 된 영역으로 덜 확산 됩니다.
이제 적절한 전압이 적용될 때 다이오드의 동작을 살펴 보겠습니다.
순방향 바이어스의 다이오드
구조는 비슷하지만 사용되는 재료의 유형이 다른 다이오드가 많이 있습니다. 예를 들어, 발광 다이오드를 고려하면 알루미늄, 갈륨 및 비소 물질로 만들어져 여기되면 빛의 형태로 에너지를 방출합니다. 마찬가지로 내부 커패시턴스, 문턱 전압 등과 같은 다이오드 특성의 변화를 고려하고이를 기반으로 특정 다이오드를 설계합니다.
여기 에서는 작동, 기호 및 응용 프로그램과 함께 다양한 유형의 다이오드 를 설명했습니다.
- 제너 다이오드
- LED
- 레이저 다이오드
- 포토 다이오드
- 버 랙터 다이오드
- 쇼트 키 다이오드
- 터널 다이오드
- PIN 다이오드 등
이러한 장치의 작동 원리와 구성을 간략하게 살펴 보겠습니다.
제너 다이오드:
이 다이오드의 P 및 N 영역은 공핍 영역이 매우 좁도록 과도하게 도핑됩니다. 일반 다이오드와 달리 항복 전압은 매우 낮 습니다. 역 전압이 항복 전압보다 크거나 같으면 공핍 영역이 사라지고 역 전압이 증가하더라도 정전압이 다이오드를 통과합니다. 따라서 다이오드는 전압을 조절 하고 적절하게 바이어스 될 때 일정한 출력 전압을 유지 하는 데 사용됩니다. 다음은 제너를 사용하여 전압을 제한하는 한 가지 예입니다.
제너 다이오드의 파괴가 호출되는 제너 고장 . 이는 제너 다이오드에 역 전압이 가해지면 접합부 내에서 공유 결합을 끊기에 충분한 강한 전계가 발생하여 큰 전류 흐름을 유발합니다. 제너 고장은 눈사태 고장과 비교할 때 매우 낮은 전압에서 발생합니다.
일반적으로 일반 다이오드에서 볼 수있는 애벌랜치 브레이크 다운이라고하는 또 다른 유형의 브레이크 다운 이 있습니다. 그것의 작동 원리는 다이오드가 역 바이어스 될 때 작은 누설 전류가 다이오드를 통과하고 역 전압이 더 증가하면 누설 전류도 증가하여 접합 내에서 공유 결합을 거의 끊을 수있을만큼 빠르며 이러한 새로운 전하 캐리어가 추가로 분해됩니다 나머지 공유 결합은 다이오드를 영원히 손상시킬 수있는 거대한 누설 전류를 유발합니다.
발광 다이오드 (LED):
그 구조는 단순한 다이오드와 유사하지만 다양한 반도체 조합을 사용하여 다양한 색상을 생성합니다. 그것은 순방향 바이어스 모드에서 작동합니다. 전자 정공 재결합이 일어날 때 결과적인 광자가 방출되어 빛을 방출하고, 순방향 전압이 더 증가하면 더 많은 광자가 방출되고 광 강도도 증가하지만 전압은 임계 값을 초과하지 않아야합니다. 그렇지 않으면 LED가 손상됩니다.
다양한 색상을 생성하기 위해 AlGaAs (알루미늄 갈륨 비소) – 적색 및 적외선, GaP (인화 갈륨) – 황색 및 녹색, InGaN (인듐 갈륨 질화물) – 청색 및 자외선 LED 등을 사용합니다. 간단한 LED 회로 확인 여기.
를 들어 IR LED 우리는 카메라를 통해 빛을 볼 수 있습니다.
레이저 다이오드:
LASER는 방사선 자극 방출에 의한 빛 증폭 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)을 의미합니다. PN 접합은 두 층의 도핑 된 갈륨 비소에 의해 형성되며, 접합부의 한쪽 끝에 고 반사 코팅이 적용되고 다른 쪽 끝에 부분 반사 코팅이 적용됩니다. 다이오드가 LED와 유사하게 순방향 바이어스되면 광자를 방출하고, 다른 원자에 부딪히면 광자가 과도하게 방출됩니다. 광자가 반사 코팅에 닿아 다시 접합부에 부딪히면 더 많은 광자가 방출되고이 과정이 반복되고 고강도 빔이 발생합니다. 빛이 한 방향으로 만 방출됩니다. 레이저 다이오드가 제대로 작동하려면 드라이버 회로가 필요합니다.
레이저 다이오드의 상징적 표현은 LED와 유사합니다.
포토 다이오드:
포토 다이오드에서이를 통과하는 전류는 PN 접합에 적용된 빛 에너지에 따라 달라집니다. 역방향 바이어스로 작동합니다. 앞서 논의한 바와 같이, 역방향 바이어스시 작은 누설 전류가 다이오드를 통해 흐릅니다.이를 여기서는 암전류 라고 합니다. 전류는 빛 (어두움) 부족으로 인한 것이므로 그렇게 불립니다. 이 다이오드는 빛이 접합부에 닿을 때 전자 정공 쌍을 끊고 역 누설 전류를 증가시키는 전자를 생성하기에 충분하도록 구성됩니다. 여기에서 IR LED로 작동하는 포토 다이오드를 확인할 수 있습니다.
버 랙터 다이오드:
Varicap (가변 커패시터) 다이오드라고도합니다. 이 역 바이어스 모드에서 작동합니다. 절연체 또는 유전체가있는 전도 판의 커패시터 분리에 대한 일반적인 정의는 일반 다이오드가 역 바이어스 될 때 공핍 영역의 폭이 증가합니다. 공핍 영역이 절연체 또는 유전체를 나타 내기 때문에 이제 커패시터 역할을 할 수 있습니다. 역 전압의 변화로 인해 P 영역과 N 영역이 분리되어 다이오드가 가변 커패시터 로 작동 합니다.
플레이트 사이의 거리가 감소함에 따라 커패시턴스가 증가하기 때문에 큰 역 전압은 낮은 커패시턴스를 의미하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
쇼트 키 다이오드:
N 형 반도체는 금속 (금,은)에 결합되어 높은 에너지 수준의 전자가 다이오드에 존재하며이를 핫 캐리어 라고하므로이 다이오드를 핫 캐리어 다이오드 라고도 합니다. 이 다이오드가 순방향 바이어스되면 도체로 작동하지만 전하가 높은 에너지 레벨을 가지며 특히 디지털 회로에서 특히 빠른 스위칭에 도움 이됩니다. 이들은 또한 금속 반도체 접합이 존재하는 대신 소수 캐리어가없고 공핍 영역이 없습니다. 마이크로파 애플리케이션에 사용됩니다. 여기에서 쇼트 키 다이오드가 작동하는지 확인하십시오.
터널 다이오드:
이 다이오드의 P 및 N 영역은 과도하게 도핑되어 공핍 의 존재 가 매우 좁습니다. 발진기 및 마이크로파 증폭기로 사용할 수있는 음의 저항 영역을 나타냅니다. 이 다이오드가 먼저 순방향 바이어스되면 공핍 영역이 좁아 전자 터널이 좁아 지므로 전압의 작은 변화로 전류가 급격히 증가합니다. 전압이 더 증가하면 접합부의 과잉 전자로 인해 공핍 영역의 폭이 증가하기 시작하여 순방향 전압이 더 증가 할 때 순방향 전류 (음의 저항 영역이 형성되는 곳)가 막히게됩니다. 일반 다이오드.
PIN 다이오드:
이 다이오드에서 P 및 N 영역은 고유 반도체에 의해 분리됩니다. 다이오드가 역 바이어스되면 일정한 값의 커패시터로 작동합니다. 순방향 바이어스 상태에서는 전류에 의해 제어되는 가변 저항 역할을합니다. DC 전압에 의해 제어되는 마이크로파 애플리케이션에 사용됩니다.
상징적 표현은 일반 PN 다이오드와 유사합니다.
다이오드의 응용:
- 조정 된 전원 공급: 실제로 DC 전압을 생성하는 것은 불가능하며 사용 가능한 유일한 소스 유형은 AC 전압입니다. 다이오드는 단방향 장치이므로 AC 전압을 맥동 DC로 변환하는 데 사용할 수 있으며 추가 필터링 섹션 (커패시터 및 인덕터 사용)을 사용하여 대략적인 DC 전압을 얻을 수 있습니다.
- 튜너 회로: 안테나가 우주에서 사용 가능한 모든 무선 주파수를 수신하기 때문에 수신기 끝의 통신 시스템에서 원하는 주파수를 선택해야합니다. 따라서 가변 커패시터와 인덕터가있는 회로에 불과한 튜너 회로가 사용됩니다. 이 경우 버 랙터 다이오드를 사용할 수 있습니다.
- 텔레비전, 신호등, 디스플레이 보드: TV 또는 디스플레이 보드에 이미지를 표시하기 위해 LED가 사용됩니다. LED는 매우 적은 전력을 소비하기 때문에 LED 전구와 같은 조명 시스템에 광범위하게 사용됩니다.
- 전압 조정기: 제너 다이오드는 항복 전압이 매우 낮기 때문에 역방향 바이어스시 전압 조정기로 사용할 수 있습니다.
- 통신 시스템의 검출기: 다이오드를 사용하는 잘 알려진 검출기는 변조 된 신호의 피크를 검출하는 데 사용되는 엔벨로프 검출기입니다.