다이오드(diode)에 대해서 알아보자

[김인선]

다이오드(diode)

전자현상을 이용하는 2단자 소자를 말한다. 반도체 다이오드는 주로 점접촉 다이오드를 의미하는데, 제2차 세계대전 이후에 급격히 발전되어 각 방면에서 많이 응용되고 있다. 그 외의 다이오드에는 접합 다이오드, 본드형 다이오드 등이 있다.

다이오드

다이오드는 진공관(또는 방전관) 다이오드와 반도체 다이오드가 있으며, 진공관의 경우는 2극관(二極管) 또는 2극진공관이라고도 한다. 셀레늄 정류기와 같은 전자현상을 이용한 이른바 금속정류기 등도 다이오드의 일종이지만, 보통 정류기라고 한다. 진공관 다이오드는 보통 진공관의 경우와 같이 방열형(傍熱型)과 직열형(直熱型)이 있는데, 이것은 열전자방출체인 음극의 가열방식에 따른 구분이다. 그 전류-전압의 특성은 5개의 영역으로 나누어 생각할 수 있다.

즉, 영역 Ⅰ은 양극(陽極: anode)이 음극(陰極: cathode)에 대하여 매우 큰 음전압을 갖게 되어 그 진공용기 속에서 공간을 통하여 방전을 일으키거나 용기의 벽을 따라 방전하는 전압파괴 영역이다. 영역 Ⅱ는 음극으로부터 방출된 열전자에 의한 전자전류가 누설전류(漏洩電流: leakage current)에 대해 무시할 수 있는 누설전류 영역이다.

영역 Ⅲ은 음극으로부터 방출되는 열전자들이 초속도를 갖고 있기 때문에 양극전압 Vp가 다소 음의 값으로 되더라도 양극전류 Ip가(전자는 음의 전하를 가지고 있음) 양극으로 유입되게 되는 초속전류 영역이다. 영역 Ⅳ는 음극을 이탈한 전자들이 일정한 속도 분포를 가지고 있으며, 또 양극전압이 충분히 크지 못한 까닭에 이들 음극으로부터의 전자류(電子流)에 의하여 음의 공간전하를 생기게 하며 이로 인하여 음극과 양극 사이에 전위의 골짜기, 즉 음극보다도 전위가 낮은 곳이 생기고 이것에 의해 양극전류가 제한되는 영역이다.

영역 Ⅴ는 양극전압 Vp가 충분히 커서 음극에서 방출된 전자가 음극 앞에서 머뭇거리지 않고 모두 양극을 향해 진행하여 포착되는 영역으로서, 양극전류 Ip는 음극에서 방출되는 전자의 수에 따라서 음극온도에 의하여 결정된다. 영역 Ⅲ에서 Ip는 Vp에 대하여 지수함수적으로 변하고 영역 Ⅳ에서는 3/2제곱에 비례한다. 보통 사용되는 동작상태에서는 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ의 영역이 쓰인다. Ⅴ영역에서는 음극으로부터의 전자방출에 대응되는 Ip가 흐르기 때문에 Ip에는 전자방출에 기인되는 산탄잡음(shot) 원천으로서 쓰인다. 일반용 진공관 다이오드는 정류회로나 검파회로에 주로 쓰이고 있다.

반도체 다이오드는 일찍이 점접촉(點接觸) 다이오드로 알려져 있는 것으로, 제2차 세계대전 이후 반도체 재료 및 기술의 눈부신 발전과 더불어 새로운 현상의 발견과 이용, 구조의 개발 그리고 응용분야가 확대됨에 따라 그 종류도 매우 다양해지고 각 방면에 응용되고 있는데, 이와 같은 경향은 앞으로도 계속될 것이다.

점접촉 다이오드는 저마늄이나 규소[비소]과 같은 반도체 결정 표면에 텅스텐 또는 백금합금과 같은 금속제 침의 첨단을 접촉시킨 구조로 되어 있다. 구조가 간단하고 값이 싸며 고주파 특성이 좋기 때문에 광범위한 응용분야를 가지고 있다. 그러나 접촉점에 압력이 가해지기 때문에 특성이 이상적인 p-n접합 다이오드에 비해 뒤지며, 충격에 약하고 내부저항이 높다는 등의 단점이 있어 일반용으로서는 p-n접합 다이오드로 대치되고 고주파, 특히 초고주파용으로서는 본드(bond)형의 것 또는 접합형의 것으로 대치되어 가고 있다.

본드형 다이오드는 점접촉 다이오드의 금속침에다 미리 불순물을 첨가한 후 반도체 표면과 접촉시키고 순간적으로 큰 전류를 통하게 하여 금속침과 반도체가 융착되어 p-n접합을 이루게 한 것이다. 반도체로서는 규소·저마늄의 단결정들이 사용되고 있었으나 근래에는 갈륨비소(비소화갈륨: GaAs)와 같이 전자이동도가 큰 화합물 반도체를 사용함으로써 밀리(mm)파의 영역까지 사용할 수 있는 소자가 실용화되고 있다.

접합 다이오드는 미국 벨(Bell)연구소 W. 쇼클리의 p-n접합이론에 근거를 둔 반도체 다이오드이며, 본질적으로는 점접촉형과 본드형 다이오드도 이에 포함된다. p-n접합은 앞서 기술한 본드법을 비롯하여 합금법·확산법·결정성장법·쌍정법(雙晶法)·이온주입법(큰 속도로 첨가하려고 하는 불순물의 이온을 만들어 반도체에 주입시켜서 접합을 만드는 것) 등 여러 가지 기술이 개발되어 이들에 의하여 제작된다.

일반용 다이오드는 합금형 또는 확산형으로 되어 있으며, 기타의 접합 다이오드들도 주로 합금형과 확산형으로 되어 있다. 즉, 순방향(p형의 영역 쪽에 양전압을 가한 경우)의 다이오드 전류는 가해진 전압 크기에 대략 지수함수적으로 변화한다. 역방향(n형의 영역 쪽에 양전압을 가한 경우)의 전압을 증가시키면 다이오드 전류는 거의 미소한 일정값을 유지하지만, 어떠한 일정한 전압에서 항복현상(breakdown)이 생긴다. 이와 같은 역방향 특성은 정전압방전관(定電壓放電管)의 전압-전류 특성과 유사하며 그것과 같은 용도에 쓰인다.

특히 이와 같은 목적으로 설계·제작된 것을 정전압(定電壓: zener) 다이오드라고 한다. 역방향으로 바이어스(bias)된 p-n 접합에서는 그곳을 흐르는 전류는 매우 적으며, 전기회로적으로는 교류에 대한 용량성 임피던스와 같이 작용한다. 이 용량값, 즉 커패시턴스는 이 역방향의 바이어스 전압 Vp에 따라 변하는데, 일반적으로 그들 관계는 비직선적이다. 즉, 용량은 Vp에 비례하지는 않는다. 이와 같은 성질을 이용하면 역방향으로 바이어스된 p-n 접합 다이오드는 가변용량소자 또는 파라메트릭 증폭(parametric amplification) 소자로서 이용할 수 있다.

터널 다이오드는 발명자의 이름을 따서 에사키[江崎] 다이오드라고도 한다. 이 다이오드도 p-n접합을 이용하고 있는데, p-n접합의 p 및 n형 두 영역의 첨가 불순물의 농도를 1019/cm3 정도 이상으로 높여 주면 p와 n 두 영역 사이에서 터널효과, 즉 전류반송파(電流搬送波)의 양자역학적인 관통현상효과가 생겨 p-n접합을 통한 전류반송파의 이동이 발생되며, 음성저항(陰性抵抗: 전압은 증가하는 데 전류는 감소되는 특성)을 나타낸다. 이와 같은 터널 다이오드의 특성이 나타날 정도로 높게 p-n접합의 두 영역에다 불순물을 첨가하여 주지 않을 경우에는 보통 다이오드와 비교하면 마치 순방향과 역방향이 뒤바뀐 것같이 되어 있어 이것을 백워드(backward) 다이오드라고 한다.

포토다이오드(photo diode: 광다이오드)는 p-n접합에다 빛을 쬐면 캐리어가 발생되어 전류 또는 기전압을 일으키는 현상을 이용한 소자이고, 발광 다이오드(light emission diode: LED)는 p-n접합에서 주입된 전류 캐리어가 재결합하거나 에너지준위를 바꿀 때 빛을 방출하는 소자인데, 손목시계 등 각종 표시장치에 쓰인다. 또 이 소자는 그 형상을 광학적 공진기(共振器)를 구성할 수 있게 만들면 레이저 발광도 가능하다.

소재로서는 갈륨인(인화갈륨: GaP)·갈륨비소 등의 3~5족 간의 화합물 반도체가 쓰이며, 이것들에 알루미늄 등을 첨가한 4원합금(四元合金)들도 발광 다이오드의 소재로서 각광을 받고 있다. 감압 다이오드는 p-n접합의 전압─전류 특성이 그의 접합부분에 가해진 변형력에 의하여 변화하는 현상을 이용한 전자소자이다.

특수구조로 된 접합 다이오드에는 p-n접합을 사용한 특수구조의 것과 p-n접합 이외의 다른 접합을 사용한 것들이 있다. 2중베이스 다이오드(double base diode)·4층 다이오드(4-layer diode: p-n-p-n 다이오드)는 다같이 음성저항(陰性抵抗) 소자이다.

감자기장(感磁氣場) 다이오드는 반도체 소자이며 p형층과 n형층으로부터 주입된 양공(陽孔: 양전하의 캐리어)과 전자는 중앙의 영역 내에서 외부로부터의 자기장(이 책자의 면에 수직된 방향)이 충분히 강하게 되면 그 행로가 구부러져서 재결합면(층)에서 재결합되는 결과 전극 사이의 캐리어의 수가 감소되기 때문에 저항이 증대된다. 자기장이 약할 경우 또는 반대 방향의 자기장이 가해지면 캐리어는 재결합이 적으므로 전극 사이의 저항은 작아진다.

쇼트키 배리어(Schottky barrier)형 다이오드는 p-n접합 대신 반도체 표면에 금속막을 증착·도금 등의 방법으로 부착시켜서 만든 쇼트키형의 장벽을 통해서 반도체 속에 캐리어를 주입시킨다. 순방향 전압-전류 특성에서의 전류가 크게 상승하기 시작하는 전압의 값을 금속막의 종류에 따라 다르게 할 수 있다. 또 고주파수에서의 특성이 좋은 것, 고온처리가 필요치 않은 것 등의 특징이 있어 초고주파용을 비롯하여 많은 분야에서 쓰이고 있다. 또 이 소자에 대하여는 많은 연구가 진행되고 있어 앞으로 여러 가지 새로운 소자의 개발이 기대된다.

반도체의 벌크효과(bulk effect)를 이용한 벌크효과 다이오드는 앞서 기술한 다이오드와는 달리 반도체 결정에 2개의 전극이 접합을 형성치 않도록 이른바 옴(ohm)적 접촉을 이루도록 부착시켜 반도체 결정자체 내에서 생기는 각종 효과들을 이용한 소자이다. 크라이오서(cryosar)는 p형과 n형의 불순물을 대체적으로 같은 양 첨가한 반도체(예를 들면 저마늄)를 4.2°K(액체헬륨온도)로 냉각하면 음성저항이 생기는 현상을 이용한 초전도 전자소자이다. 이것은 고속의 스위치용 소자로서 컴퓨터 등에 많게 이용될 것으로 기대되고 있다. 벌크효과를 이용한 소자 개발에 전기(轉機)를 이룬 것은 건(Gunn)효과의 발견이다.

갈륨비소 단결정 내에서의 전자의 이동도는 전자속도가 어느 한계를 넘으면 전기장의 세기에 반비례하여 감소되며, 이로 인하여 이 단결정의 전압─전류 특성에는 음성저항이 나타나게 되어 발진이 일어난다. 이 발진주파수는 마이크로파에서 밀리(mm)파의 영역에 이르며, 이것은 재래의 고체전자소자로서는 이룩할 수 없었던 고주파영역이다. 이와 같은 현상을 이용한 전자소자를 건 다이오드라고 한다.

이들 이외에 많은 마이크로파 영역에서 쓰이는 반도체의 벌크효과를 이용한 소자가 있는데, 임팻(IMPATT) 다이오드는 그것의 하나로서 전자사태(電子沙汰: avalanche)적인 주입에 의하여 작동되는 발진용의 소자이다. 근래 진공관이나 반도체 다이오드에 포함되어 있지 않은 다이오드적인 현상, 예를 들면 초전도체 사이에 끼어 있는 극저온절연박막을 통하여 생기는 전도현상에 p-n접합의 경우와 비슷한 비선형(非線型)의 전압-전류 특성들이 발견되었으므로 앞으로 종래의 진공관이나 반도체 이외의 다이오드 개발이 활발히 이루어지고 있다.

태양전지는 포토다이오드의 일종으로 태양광을 직접 전력으로 전환시키는 목적에 이용되고 있어, 대체 에너지원으로서 지상에서는 물론이고 우주개발을 위해서도 그 이용이 점차 확대되어 가고 있어 전력용 전자소자로서 매우 중요하다. 그 구조도 p-n접합형, 쇼트키 배리어형 및 이종(異種)반도체의 접합으로 이루어지는 것 등이 있으며, 소재로서는 규소·갈륨비소 등의 결정체, 기타 각종 반도체가 광범위하게 이용되고 있다. 특히 근래에 와서는 다결정 실리콘이나 비정질(非晶質) 실리콘을 이용한 태양전지의 개발과 실용화가 크게 각광을 받고 있다.

[네이버 지식백과] 다이오드 [diode] (두산백과, 두산백과)

전류를 한 방향으로만 흐르게 하고, 그 역방향으로 흐르지 못하게 하는 성질을 가진 반도체 소자(semiconductor device)의 명칭. 2극 진공관의 의미를 표시하는 경우도 있다. 다이오드의 전류를 한 방향만으로 흐르게 하는 작용을 정류(整流；rectification)라 하며, 교류(交流；alternative current)를 직류(direct current)로 변환할 때 쓰인다. 다이오드에는 이 정류용 다이오드가 흔히 쓰이지만 그 밖에도 여러 가지 용도가 있다. 예를 들면, 논리 회로(logic circuit)를 구성하는 소자 등의 스위칭(switching)에는 다이오드가 많이 사용된다. 또 다이오드에는 많은 종류가 있으며 특성이 다르다. 예를 들어, 빛을 내는 발광 다이오드나 전압에 의하여 정전 용량이 바뀌는 가변 용량 다이오드 등이 있다.

[네이버 지식백과] 다이오드 [diode] (컴퓨터인터넷IT용어대사전, 2011.1.20, 일진사)

다이오드라고 하면 반도체 다이오드를 지칭하는데 원래는 양극과 음극으로 이루어진 가장 단순한 진공관의 명칭이었다. 다이오드는 2개의 전극을 가지고 옴의 법칙에 따라 순방향 전압에서는 전류가 흐르고 역방향에서는 전류가 거의 흐르지 않는다. Pn 접합 다이오드와 금속 반도체(쇼트키) 다이오드의 2종류가 있다. 다이오드의 역사는 1920년대에 셀렌 정류기, 아산화동(亞酸化銅) 정류기가 제품화 되었다. 제2차 대전중에 라디오용 광석 검파기의 개량을 위해 게르마늄과 실리콘을 사용한 다이오드가 연구되어 트랜지스터 발명의 기초가 되었다.

다이오드는 극히 단순한 소자이므로 여러가지 목적을 위해 사용된다. 즉, 정부(正負)의 방향을 이용한 정류기, 검파기, 순방향 도통영역(導通領域)의 비선형성(非線型性)을 이용한 수신믹서, 역방향 전압 인가영역의 가변용량성(可變容量性)을 이용한 전자 튜너 등이 있다. 광-전기 변환소자로서 포토 다이오드(photo diode), 발광 다이오드가 있다. 다이오드의 분류로서는 사용 목적별 분류와 구조에 의한 분류가 있다. 점접촉(point contact) 다이오드는 문자 모양의 금속 세선(細線)을 반도체에 접촉시킨 형태로써 연구 초기에 사용되었다.

본드 다이오드는 점접촉을 한 후에 과대 전류가 흐름에 따라 접촉부를 열융착(熱融着)시켜 특성 향상과 안정화를 도모한 것이다. Pn 다이오드, 쇼트키 다이오드는 각각 Pn 접합, 쇼트키 장벽을 가지고 있다. Pn 접합 근방의 불순물의 농도를 높인 것으로는 터널 다이오드, 백워드(backward) 다이오드가 있고, 농도를 낮게 한 것으로는 핀(pin) 다이오드가 있다. 터널 다이오드는 부성 저항(負性抵抗)을 가지고 있다.

[네이버 지식백과] 다이오드 [Diode] (정보통신용어사전, 2008.1.15, 일진사)

[김인선]

외람된 말씀이지만 제가 뭘 알고 올린 글이 아니고 이러한 것들에 관심을 두고 배우고자 올린 글이오지 부족한점이 있으면 가르쳐 주시기 바랍니다.

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좋은 느낌이네요 .. 겸손*^^*