다이오드(Diode)
복사 : 전자공학 실무강좌
내용이 너무 좋아서 소장할 가치가 있는 자료
연결방식과 역할
다이오우드(diode)는, 알다시피, 한쪽 방향으로만 전류를 흐르도록 하는 반도체 소자이다. 내부에 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 P형 반도체쪽 전압이 N형 반도체쪽의 전압보다 높으면 전류가 잘 흐르게 된다. 반대로 전압을 걸어주면 거의 전류가 흐르지 않게 된다.
이와같이 다이오우드 양단에 전압을 어떻게 걸어주는냐에 따라 전류가 흐르기도 하고(ON 상태), 차단(OFF상태)되기도 하기 때문에, 다이오우드를 "다이오우드 스위치"라고도 부른다.
내부 구조나 기본적인 동작개념에 대해서는 학교에서 많이들 배웠을 것으로 본다. 다시 복습하고 싶으면, 왼쪽에 링크된 사이트들을 참고하기 바란다. 여기가, 기초강좌이긴 한데, 실무1년차를 위한 강좌이므로 좀 생략되는 내용이 있음을 이해해주기 바란다.
기억해 두어야 할 특성 - 순방향 전압강하
순방향은 다이오우드 스위치가 on 되어 전류가 흐르는 방향을 말하고, 역방향은 그 반대방향을 말한다. 그런데, '순방향'은 알겠는데 '전압강하'는 무슨 말인가?
만일 어떤 호스가 있는데, 그 사이에 한쪽 방향으로만 열리는 약간 무게가 있는 덮개가 있다고 해보자. 한쪽에서 물을 채우는 데, 별로 물을 미는 힘이 약한 상태로 두면 덮개는 완전히 열리지 않고 물을 졸졸졸 흘러보낼 뿐이겠지. 하지만, 물을 밀어넣는 힘이 어느정도만 되면, 그러니깐 덮개를 충분히 열어줄 정도만 되면 이제는 물이 아주 쉽게 흘러가게 될 것이다.
어쨌거나, 덮개를 완전히 열어젖히는데 5 라는 힘이 든다면, 물을 넣어주는 쪽에서 100 이라는 힘으로 밀어주면, 물이 흘러나오는 힘은 95 가 될 것이다.
이와 비슷한 일이 다이오우드에서도 일어난다. 순방향 전압을 걸어서 다이오우드 스위치를 완전히 on 시키는 데에 대략 0.2 V 에서 0.7 V의 전압이 낮아진다. 이것을 "순방향 전압강하"라고 한다. 순방향 전압강하는 다이오우드가 정해지면, 일정한 값을 가지게 된다. (데이터 시트를 보면 나온다)
우리는 순방향 전압강하가 0.5 V인 다이오우드를 쓴다고 해보자. 이경우 순방향으로 입력되는 +5 V 전압신호는 다이오우드를 지난 후에는 + 4.5 V 신호가 되는 것이다. 이해가 되는감?
앞으로는 다이오우드가 스위치 작동을 할 때, 그 댓가로 입력측의 전압 일부를 받아 챙긴다는 사실을 우리는 잊어서는 안되겠다. 이 '순방향 전압강하'는 나중에 바이폴라 트랜지스터의 중요한 특성이라 할 수 있는 '베이스-이미터 전압'이라는 이름으로 다시 등장할 예정이다.
다이오우드 연결방식과 역할
직렬 연결 - 정류
아래 그림과 같이 다이오우드를 입력과 출력 사이에 직렬로 연결한 경우는 많이들 보아서 잘 알고 있을 것이다. +E 에서 -E 까지 전압이 변화하는 입력신호가 들어오는 경우에 다이오우드의 연결 방향에 따라 출력은 (+)쪽의 신호만 통과시키게 된다.
여기서 유의할 점은, 입력신호와 출력신호의 모양은 같지만, 출력신호의 최고 전압이 +E 가 아니라 + (E-VF) 가 된다는 점이다. 눈치 빠른 독자는 이미 알아차렸겠지만, VF는 물론 앞 절에서 말한 "순방향 전압강하" 값이 된다.
즉, 입력전압이 +5 에서 -5V 까지 왔다갔다 하는 신호라면, 그 출력은 +4.5 V 에서 0 V (실제로는 0V 가 아니고, 역방향 전압이 걸릴때 약간의 누설전류가 흐르는데, 저항값에 따라 V=IR 식에 따라 약간 - 전압이 걸리지만...일단 생각지 말자.)
물론, 다이오우드를 방향을 바꾸어 연결하면 아래와 같이 (-) 신호만 통과시킬 수도 있다. 물론 이때에도 출력전압의 최대값은 - (E-VF) 가 된다
[참고] 두 개를 서로 반대방향으로 묶어서 함께 연결한 다음의 그림을 보면 참 재미있다. 다이오우드는 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 것인데, 이렇게 양쪽으로 다 흐르게 한다면 무슨 의미가 있을까 의심스럽겠지만...이렇게 하므로써 바닥에 깔린 작은 잡음들이 제거된다.
병렬 연결 - 전압 재단
자, 다이오우드는 정류소자다. 하지만, 직렬로 연결할 때 그렇게 부른다. 이 다이오우드는 그 외에도 아래와 같이 병렬로 연결해서도 많이 사용된다. 먼저 아래 그림을 보자.
본 적 있는 회로인가?
이 회로는 맨 앞에서 말한 다이오우드의 특성만 잘 이해하면 출력신호의 형태를 알아낼 수 있다. (-)신호가 들어올 때는 GND(그라운드)쪽에서 다이오우드가 on 상태가 되어서 전류가 흘러들어간다. 이때, 0 V 쪽은 고정되어 있고(우리가 전압의 기준으로 삼으니깐), 순방향 전압강하가 있으므로 출력신호 측에는 -VF 만큼의 전압이 나타나게 된다.
반대로 (+)신호가 들어올때는 다이오우드는 off 된다. 그럼 다이오우드 쪽은 생각하지말고, 저항만 연결된 것과 같은 상태가 된다. 당연히 저항 후단에서는 저항에 걸리는 전압만큼을 뺀 나머지 전압값이 출력단에 나타나게 되는 것이다.
그럼, 다이오우드를 반대로 연결하면? 아래 그림을 참고하라.
좀더 재미있게, 이제는 병렬로 두 개를 서로 반대방향으로 연결하면 어떻게 될것인가? (+) 신호가 들어올 때는 D1이 on, D2는 off, (-) 신호가 들어올 때는 D1은 off, D2가 on 이 된다. 
여기서, 출력신호는 어떻게 될까? 두 경우 모두 다이오우드 하나 만큼의 전압강하가 일어나게 된다. 그래서, +VF와 -VF를 왔다갔다하는 출력이 나타나는 것이다. 만일 이 값은 순방향 전압강하가 0.5V 짜리라면, +0.5 V와 -0.5 V를 왔다갔다 하는 신호가 나온다는 말이다. 이해가 되나?
아마도, 당신이 실무 1년차라면, 이 부분이 좀 어렵게 느껴질 것이다. '순방향 전압강하'가 있다는 것은 그렇다고 받아들이겠는데, 그렇다고 왜 출력전압이 저렇게 되나?
다이오우드 전후의 전압변화 계산
다이오우드는 분명히 순방향으로 전압이 걸릴 때 전류가 흐른다. 어느 쪽으로? 전압이 높은 쪽에서 낮은쪽으로. 그런데, 그 차이가 +VF로 정해진다고 했다. 그러면, 순방향 전류가 흐르는 동안(다이오우드가 on상태일 때)은 한쪽의 전압값을 알면 다른쪽을 알 수 있게 된다.
위 병렬연결 회로도에서, 한쪽을 GND(= 0 V = 기준전압)에 꽉 물려두었으니깐, 당연히 여기를 기준으로 그 반대편의 전압값을 알 수 있게 되는 것이다. 물론, on 상태일 때만 그렇다. 만일, 다이오우드가 off 상태라면, 다이오우드 위치에서 회로가 끊어진 것과 마찬가지 상태라고 생각하면 되겠다.
이상적인 다이오우드라면 순방향 전압강하가 0 이 되어야 할 것이다. 하지만, 실제 사용하는 반도체의 특성때문에 약간의 전압강하가 있게 된다. 따라서, 다이오우드를 사용할 때에는 항상 데이터시트를 보고, 그 값이 얼마나 되는지 확인하는 습관을 길러야 실수를 줄일 수 있다.
다이오우드의 특성에 대해서는 그냥 넘어가려고 했는데, 제너다이오우드(Zener Diode)를 이야기하려고 보니깐 다시 기본적인 특성부터 간단히 짚고 넘어가는 것이 나을 것 같다.
다이오우드의 기본특성
아래 그림이 일반적인 다이오우드의 특성곡선이다. 가로축이 다이오우드 양단에 인가하는 전압이고 세로축이 허용전류이다. 허용전류라는 것은 실제로 그러한 전류를 무조건 흘려준다는 뜻이 아니고...음...일단 아래그림을 보고 나서 이야기하자.
순방향 특성
(+)방향은 순방향전압이고, (-)방향은 역방향전압이다. 순방향으로는 약간의 전압만 걸면 금방 허용전류가 급격하게 커진다. 즉, 다이오우드 스위치가 on 상태가 된다.
일단 on 상태가 되면, 양단에 인가하는 전압을 더 올려도 실제로 다이오우드 양단에 걸리는 전압은 큰 차이가 없게 된다. 그래서 실제로 더이상 올라가지 않는다. 대신 직렬로 연결된 다른 소자에 걸리는 전압이 올라간다.
다시말하면 '순방향 전압강하' VF 값이 거의 일정해진다. 이 값은 다이오우드에 따라 보통 0.2에서 0.7V 정도인데, 각 제조사에서 내놓는 데이터시트에 나와있다. 저항이나 콘덴서와는 달리, 반도체 다이오우드부터는 데이터시트를 직접 봐야하는데, 다음 강좌에서는 다이오우드의 데이터시트를 간단하게 살펴보겠다.
허용전류라는 것은, 양단에 그 전압을 걸면 다이오우드에 무조건 그 전류가 흐른다는 것이 아니고, 그 정도의 전류까지 '흐를 수 있다'는 것이다. 실제 회로에서는 허용전류 값까지 흐르게 만드는 경우는 없다. 
전류가 많이 흐르면, 반도체 다이오우드는 내부저항 때문에 열이 난다. 열이 많이나면? 타버린다. 특히 반도체 소자들은 열에 약하다. 회로를 설계할 때 특히 주의해야한다. 잘 돌아가다가 문제가 발생한 회로에서 제일 먼저 해보는 것이, 반도체 소자들 중에 뜨거운 것이 없는가 살펴보는 이유도 열에 약하기 때문이다.
때문에, 다이오우드를 이용하는 회로에서는 반드시 어느 정도로 전류를 제한할 것인가를 결정하고, 그에 따라 전류제한용 저항을 넣어주어야 한다. 그 계산의 기준이 되는 값이 데이터시트에 나와 있는데, 이것도 다음강좌에서 살펴보자.
역방향 특성
다이오우드의 역방향 특성이란, 얼마나 전류를 잘 차단해주는가 하는 것이 되겠다. 역방향에서도 누설되어 흐르는 전류가 아주 약간은 있기 때문이다. 하지만, 여기선 그정도 세밀한 것에 대해서는 그냥 지나치자.
중요한 것은, 역방향으로 다이오우드 양단의 전압을 자꾸 높여보면, 언젠가 한계에 이르게 된다는 것이다. 즉, 전류를 더이상 차단하지 못하고 막아둔 둑이 터지듯이 역방향 전류가 급격하게 증가하게 되는 것이다. 이러한 현상을 제너현상(Zener breakdown)이라고 하는데, 이 때의 전압을 제너전압 또는 항복전압(breakdown voltage)이라고 한다. 주로, VZ 로 쓴다.
이 항복전압 VZ 값이 큰 다이오우드를 쓰는 것이 실수로 높은 역방향 전압이 걸리는 경우를 대비하는 방법이 될 수 있겠다. +5V 전원으로 작동하는 회로라면 당연히 항복전압이 최소한 5V 보다는 커야되겠지? 소전류용 전자회로(보통의 전자회로를 말한다)에서 보통 사용하는 다이오우드는 항복전압이 수 십 V 는 되는 것들이므로, 크게 걱정할 필요는 없겠다. 이 값도 데이터시트에 물론 적혀있다.
제너다이오우드
그런데 재미있는 것은, 순방향 전압 VF값의 변동보다 역방향 항복전압 VZ의 변동이 훨씬 적다는 것이다. 다시말하면, VZ값은 거의 일정하게 유지된다는 거다.
회로를 만들다보면, 일정한 직류전압이 필요한 경우가 많다. 특히나, 주변 회로나 소자의 전류나 전압상태와 무관하게 항상 일정한 기준전압이 있어야 할 경우...
사람들은, 다이오우드의 제너현상을 좀 더 낮은 전압에서 일어나게 하면 좋은 정전압 공급소자로 쓸 수 있겠다는 생각을 하게 되었고...그래서 만들어진 것이 바로 '제너다이오우드'이다.
보통 제너항복이 역방향 수십 V 이상에서 일어나지만, 제너다이오우드의 경우, 훨씬 낮은 역전압에서 항복현상이 일어난다. (물론, 사람들이 그렇게 만든 거다.) 즉, +5V 전원으로 동작하는 회로에서는 +1.2V나 +2.4V 등 훨씬 낮은 전압에서 항복이 일어나는 제너다이오우드를 쓰게 된다. 
역전압을 걸었을 때 나타나는 제너현상을 이용하기 때문에, 이 소자는 항상 역방향으로 연결해서 사용한다. 아래 그림을 참고. 요즘은 기술이 발달해서, 매우 안정된 정전압을 공급해주는 제너다이오우드가 많이 나와있다. 전자회로를 만지는 사람이면, 언제고 한 번 써 볼 일이 반드시 생길 것이다.
이번 열번째 강좌에서는 다이오우드의 일반적인 특성과 제너다이오우드에 대하여 살펴보았다.
