01. 다이오드의 역사와 원리

[관운]

01. 다이오드의 역사와 원리

다이오드 이야기

다이오드의 간단한 역사와 원리 등에 대한 상식을 간단하게 서술하였으므로 한번 읽어보시기 바랍니다. 물론, 이미 잘 알고 있다고 생각하시는 분들은 넘어가셔도 무방합니다.

1.진공관 이전부터…

이극 진공관에서 정류 특성, 에디슨 효과가 발견된 것은 1884년. 그리고 그 8년 전인 1876년에는 셀렌의 정류 작용이 발견되었습니다. 이와 같이 반도체의 특성을 이용하여 정류 효과를 내는 다이오드의 역사는 매우 오래 되었습니다. 그러나 그 역사가 진공관보다 더 오래 되었다는 것은 약간 의외의 사실입니다.

2.게르마늄, 그리고 실리콘까지

당초의 원시적인 다이오드 -- 셀렌 정류기와 광석 검파기는 황철광과 방연광 등 천연 아산화동 (다결정 반도체) 을 사용하였습니다. 그 후, 정련 기술의 진화와 더불어 게르마늄과 실리콘 등 감도 좋은 것을 안정적으로 만들 수 있는 단결정 반도체 시대로 바뀌었습니다. 단 게르마늄은 열에 약하므로 현재는 대부분이 실리콘으로 만들어지고 있습니다.

3.PN접합에 의한 정류 효과

다이오드 소자는 PN 접합이라 불리는 구조로 되어 있습니다. P형 반도체의 단자를 애노드, N형 반도체의 단자를 캐소드라고 하며, 애노드에서 캐소드로 흐르는 전류만을 통하게 하고 그 반대로는 거의 통하지 않도록 하는 역할을 합니다. 이 효과를 정류 작용이라고 하며, 달리 표현하면 교류를 직류로 변환한다는 역할을 뜻합니다.

4.말하자면 다이오드는 "벨브"

다이오드의 움직임을 직감적으로 파악한다면, 그것은 "벨브" 즉 전류의 "벨브" 입니다. 전기 흐름을 물의 흐름에 비교하자면, 애노드는 상류 측, 캐소드는 하류 측에 해당됩니다. 물은 상류에서 하류로 흐릅니다. 즉 전류도 마찬가지로 흐르지만, 하류에서 상류로는 "벨브" 가 닫혀 흐를 수 없습니다… 이것이 다이오드의 정류 원리입니다.

● "벨브" 가 열려 전기가 흐른다 (순방향)

● "벨브" 가 닫혀 전기가 흐르지 않는다 (역방향)

5.접합 구조도 가지각색

다이오드의 접합 구조는 현재 크게 PN 접합과 쇼트키 형태로 나뉘어집니다. 전자는 반도체와 반도체의 접합이며, 다시 확산 접합형 및 메사 형태로 나뉘어집니다. 후자는 반도체와 금속 간에 일어나는 효과를 이용하는 것으로 통상적으로 "접합" 이라는 단어로 표현하지 않지만, 여기에서는 보다 이해하기 쉽도록 이 카테고리로 분류하도록 하겠습니다. 그리고 현재, 소전력·고속성을 실현하는 쇼트키 접합형이 각광을 받고 있으며, 로옴에서는 이 쇼트키 배리어 다이오드 시리즈에 적극적으로 힘을 쏟고 있습니다.

6.순방향 특성 역방향 특성

순방향 특성 역방향 특성

다이오드에는 애노드와 캐소드라는 2가지 단자가 있습니다. 애노드를 (+), 캐소드를 (-) 로 하여, 애노드에서 캐소드로 전류가 흐를 때의 특성을 순방향 특성이라고 하며, VF 와 IF 가 이에 해당합니다. 반대로 애노드가 (-) , 캐소드에 (-) 가 인가되었을 때, 다이오드에는 기본적으로 전류가 흐르지 않습니다. 이 때의 특성을 역방향 특성이라고 하며, VR 과 IR 등이 역방향 특성에 해당합니다.

다이오드란?(What is a diode?)

다이오드 아웃라인

다이오드는 사용하는 회로에 의해 정해지는 기능에 따른 분류와, 주로 세트 제품의 크기에 따라 요구되는 형상에 의한 분류가 있습니다. 번잡한 점은 이러한 분류에 직접적인 관련이 없어, 항상 이 모든 것을 염두에 두어야만 한다는 것입니다. 그러나 기본적인 것은 기능이며 이것을 여러 형태로 보강하여 각 형상에 따른 분류가 있는 것으로 생각하면 됩니다.

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1. 사용 주파수로 분류

가장 기본적인 분류입니다. 다이오드는 특성에 따라 정류 다이오드, 스위칭 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드, 정전압 (제너) 다이오드, 고주파 다이오드로 분류됩니다.또한, 일반적으로 보호 소자로서 정전압 (제너) 다이오드가 사용되고 있지만, 주변 회로의 정밀화, 어플리케이션의 미세화가 진행됨에 따라 보다 고성능의 보호 소자 : TVS (Transient Voltage Suppressor)가 요구되고 있습니다.

2. 구조로 분류

소자의 구성 구조에 따른 분류입니다. 현재 주류를 이루고 있는 flat 형의 플래너형과 고내압 타입의 메사형으로 나누어 집니다.

Planar형

오늘 날 가장 많이 사용되고 있는 반도체 접합 방법으로, 실리콘 기판 위에 산화막을 만들어 필요한 곳에 구멍을 뚫어 불순물을 흡수시켜 (확산) 접합부를 만듭니다. 실리콘 산화막은 불순물이 잘 흡수되지 않는 성질이 있으므로 필요한 곳에 접합을 만들 수 있고, 실리콘 기판 표면에 생기는 접합 부분은 이 산화막으로 보호되어 외부의 오염에 강한 구조 구성이 가능합니다.

확산 접합형 (PN 접합형)

실리콘 반도체에 불순물 (붕소, 인) 을 열확산 (높은 온도로 불순물을 침투시킴) 하여, P형 및 N형이라 불리는 불순물 확산 영역을 형성한 구조를 말합니다. 이 접합부에서 전위 장벽이라 불리는 일종의 벽이 생성되고, 이 것이 전류의 정류 작용을 하게 됩니다.

쇼트키 배리어 타입쇼트키 배리어 타입

금속과 반도체를 접합할 때 생성되는 전위 장벽 (전위 벽) 을 이용한 것입니다. 금속과 반도체를 접촉하면 정류성이 나타난다는 것은 예전부터 알려진 사실이지만, 이론적으로 이를 설명한 사람은 Mr.Shottky 이며, 이 구조의 명칭은 이 사람의 이름에서 유래되었습니다. PN 확산 접합형에 비해 소수 캐리어의 축적 효과가 없으며, 역회복 시간이 두드러지게 적기 때문에 고주파 시의 정류 효과가 매우 좋으며, 순방향 전압 (VF) 도 낮아 전력 손실이 적어 고주파 정류 용도로 사용됩니다.

mesa형

접합부가 후지산과 같은 모양이 되는 것으로, 이 구조에서는 역내압 (VR) 을 크게 할 수 있으므로 정류 다이오드에 많이 사용됩니다. 내압을 크게 할 수 있는 반면, PN 접합면이 노출되는 구조이므로 역전류 (리그 전류)가 플래너형에 비해 커지는 (악화되는) 경향이 있습니다. 로옴에서는 정류 다이오드가 이 구조에 해당합니다.

3. 순전류 크기로 분류

순방향 전류 IF의 크기로 나뉘며, IF 가 1A 미만인 것을 소신호 다이오드, 1A 이상의 것을 정류 다이오드라고 합니다.

4. 집적성으로 분류

로옴의 강점으로, 다이오드 어레이를 들 수 있습니다. 이것은 디스크리트 타입에 비해 다이오드를 집적한 복합 다이오드를 말합니다. 최근에는 제너 다이오드, 쇼트키 다이오드의 복합 어레이 제품 라인도 풍부해졌습니다.

5. 형상으로 분류

패키지와 실장 스타일, 기기 등에 따라 다이오드는 각종 형상을 취하지만, 크게 리드 타입과 면실장 타입으로 나누어 집니다. 시장에서는 수 년 전부터 면실장 타입이 주류를 이루고 있으며, 로옴에서도 보다 충실한 면실장 제품 라인업을 갖추고 있습니다.