다이오드

규소 다이오드

점-접촉 다이오드

다이오드(diode)는 전류를 한쪽으로는 흐르게 하고 반대쪽으로는 흐르지 않게 하는 정류작용을 하는 전자 부품이다. 따라서 다이오드의 전기 저항은 한쪽 방향의 전류에 대해서는 매우 작지만, 반대쪽 방향에 대해서는 매우 크다.

다이오드에서 전류가 잘 흐르는 방향을 순방향, 반대로 전류가 잘 흐르지 않는 방향을 역방향이라고 한다. 다이오드는 전류를 한쪽으로만 흘리므로 교류(alternating current, AC)를 직류(direct current, DC)로 변환하는데 쓴다. 정류 특성 외에도 다이오드는 비선형 전류-전압 특성으로 인해 훨씬 더 복잡한 특징을 보인다. 가장 많이 쓰는 다이오드는 p-n 접합 다이오드는 반도체 기반의 전자회로를 구성하는 가장 기본 단위가 된다.

개요

다이오드는 저마늄(germanium) 또는 게르마늄(germanium), Ge)이나 규소(Si)로 만들어지고, 주로 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자를 말한다. 정류, 발광 등의 특성을 지니는 반도체 소자이다.

최초의 다이오드는 진공관(vacuum tube)으로 만들어졌다. 진공관 다이오드는 플레이트 전극(anode)와 열음극(熱陰極, hot cathode)으로 두개의 전극으로 이루어진다.

오늘날의 대부분의 다이오드는 실리콘(규소)(Si,silicon)으로 만들어지지만, 셀레늄(selenium)이나 저마늄(germanium) 등의 반도체 등을 사용하기도 한다. 대부분의 반도체 다이오드는 p-n 접합으로 두개의 전극을 갖는 반도체 결정체(crystalline)이다.

역사

열전자 다이오드(thermionic diode, 또는 진공관 다이오드)와 고체 다이오드(solid-state diode, 또는 반도체 다이오드)는 1900년대 초, 거의 같은 시기에 각각 라디오 수신 감지기로 개발되었다. 1950년대까지는 진공관 다이오드가 점-접촉(point-contact) 반도체 다이오드보다 더 안정적이었기 때문에 라디오에 주로 사용되었다. 대부분의 수신기에는 진공관 튜브가 설치되어 있었기에 여기에 열전자 다이오드를 쉽게 포함할 수 있었으며, 이와 같은 진공관 정류기(vacuum-tube rectifier)나 가스-충전 정류기(gas-filled rectifier)는 당시 사용 가능한 반도체 다이오드보다 고전압/고전류 정류 작업을 더 잘 처리할 수 있었다.

최초 발명 당시, 다이오드는 정류기로 알려져 있었다. 하지만, 1919년에 4극 진공관(tetraode)이 발명되었을 때 에클스(W. H. Eccles)는 그리스어에서 'two'라는 뜻을 가진 'di'와 'path'라는 뜻을 가진 'ode'를 합쳐 다이오드(diode)라는 단어를 만들어냈다.

1873년, 구드리(F. Guthrie)는 접지된 백색의 뜨거운 금속 구를 검전기(electroscope)에 가까이 가져가면 양전하를 띤 검전기는 방전되지만, 음전하를 띤 검전기는 방전되지 않는다는 것을 관찰하였다. 1880년 에디슨(T. Edison)은 전구에서 가열된 전열 부분과 가열되지 않은 전열 부분 사이에 단향성(unidirectional) 전류가 흐르는 것을 관찰하고 이러한 현상을 DC 전압계에서 적용하는 특허를 받았으며, 이를 에디슨 효과(Edison effect)라고 부른다.

약 20년 후 플레밍(J. A. Fleming)은 에디슨 효과를 라디오 탐지기로 사용할 수 있음을 깨달았다. 이후 플레밍은 1904년 11월 16일, 영국에서 최초로 실질적으로 열전자 다이오드인 플레밍 밸브(Fleming valve)의 특허를 얻었다.

이처럼 진공관이 널리 사용되던 시기에는 밸브 다이오드가 라디오, 텔레비전, 사운드 시스템, 계측기 같은 거의 모든 전자 제품에 사용되었다. 하지만 1940년대 셀레늄 정류기(selenium rectifier) 기술의 탄생과 1960년대 반도체 다이오드의 개발로 인해 진공관 다이오드는 서서히 시장에서 점유율을 잃어갔다. 오늘날에는 과도 전압이 필요한 응용 분야에서 반도체 장치보다 견고한 장점으로 인해 여전히 진공관이 사용되고 있다. 또한 다양한 연주 악기나 오디오 등에도 활용되고 있다.

주요 용도

일반적으로 다이오드의 주된 용도는 전류를 한쪽으로만 흐르게 하고 반대 방향으로는 흐르지 못하게 하는 것이다. 따라서 다이오드는 전자의 흐름에 대한 ‘’체크 밸브(check valve)’’라고도 볼 수도 있다. 전류가 한 방향으로만 흐르는 것을 정류(rectification)라고 하며, 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데에 이러한 정류기가 사용된다. 정류기 형태의 다이오드는 라디오 수신기에서 라디오 신호를 변조(modulation)하여 추출하는 작업에 사용될 수 있다.

하지만 다이오드는 비선형 전류-전압 특성 때문에 이처럼 간단한 온-오프(on-off) 역할보다는 좀 더 복잡한 특징을 보일 수도 있다. 반도체 다이오드에서는 특정 임계 전압 또는 컷-인(cut-in) 전압이 정방향인 경우에만 전기 전도가 일어난다. 정방향-바이어스(forward bias) 다이오드에서 전류 변화에 따른 전압의 변화는 매우 작으며, 이는 온도의 함수로 나타낼 수 있음으로, 온도 센서나 기준 전압(voltage reference)으로 사용될 수 있다. 또한, 다이오드에 역방향으로 전류가 흐르게 되면 높은 저항을 갖게 되는데, 만약 역방향 전압이 항복 전압(breakdown voltage)에 도달하게 되면 저항은 급격히 낮아지게 된다.

반도체 다이오드의 전류-전압 특성은 다이오드 제조 과정에서 반도체 물질에 넣는 도핑 물질에 따라 조절할 수 있으며 이러한 기술은 특수 목적의 다이오드를 만드는 데 사용된다. 예를 들어, 이러한 특수 목적 다이오드로는 전압 조절용 다이오드(제너 다이오드, Zener diodes), 고전압 서지(surge)로부터 회로를 보호하기 위한 다이오드(애벌란시 다이오드, avalanche diodes), 라디오나 TV 수신기 전기 조정용 다이오드 (버랙터 다이오드, varactor diodes), 라디오-주파수 진동 발생용 다이오드(터널 다이오드, tunnel diodes), 발광 다이오드(발광 다이오드, light-emitting diodes) 등이 있다. 또한, 터널 다이오드, 건 다이오드, IMPATT 다이오드 등은 음의 저항값을 갖기 때문에 전자레인지나 스위칭 회로(switching circuit) 등에 유용하게 사용될 수 있다.

동작 원리

바이어스 전압이 걸려있지 않을 때 평형상태에 있는 pn 접합 다이오드. 파란선과 빨간 선은 위치에 따른 전자와 양공의 농도를 나타낸 것이다. 양쪽의 회색 영역은 전기적으로 중성인 영역이고 붉은 영역과 푸른 영역은 각각 전기적으로 양과 음의 전하를 띄고 있는 영역을 나타낸다. 그 아래 그림은 각각 위치에 따른 전하밀도, 전기장, 전위를 나타낸 것이다.

전원 혹은 바이어스 전압이 연결되지 않은 상태에서 p-n 접합을 만들면, 접합부 근처에서 p형 반도체와 n형 반도체에 각각 존재하는 전하 운반자인 양공과 전자는 상대적 밀도 차이로 인해 서로를 향해서 확산된다. 이렇게 각각의 전하 운반자가 확산하면 접합부 근처의 p형 반도체 쪽에는 (-) 전하를 띈 받개 이온, 이와는 반대로 n형 반도체 쪽에는 (+) 전하를 띈 주개 이온이 남게 된다. 따라서 p-n 접합부 근처는 더이상 전기적으로 중성이 아니라 전하를 띄게 되므로 이 영역을 공간 전하 영역, 또는 전하 운반자가 결핍된 영역이어서 결핍 영역이라고 부른다. 이로 인하여 접합부 근처에 전위차가 생기는데, 이를 빌트인 퍼텐셜(built-in potential)이라고 부른다. 빌트인 퍼텐셜은 전하 운반자의 확산에 따라 점점 더 커지지만, 그 결과로 형성된 전기장 때문에 전하 운반자는 반대쪽으로 움직이게 된다. 따라서 바이어스 전압을 걸지 않은 상태에서 전하 운반자는 서로 반대쪽으로 움직이게 하려는 두 가지 요인이 평형을 이루는 상태에 도달하고, 그러면 전하는 더 이상 이동하지 않는다. 그림 2는 평형 상태에 있는 p-n 접합 다이오드에서 관측되는 전하운반자의 밀도, 전기장 및 빌트인 포텐셜의 위치에 대한 함수 그래프를 보여준다.

이러한 p-n 접합에 (+) 전극을 p형 반도체쪽에, (-) 전극을 n형 반도체쪽에 연결하여 바이어스를 걸어주면, n형 반도체에 있는 전자가 p형 반도체에 있는 양공을 채우기 위해 p형 반도체쪽으로 이동한다. 이렇게 이동한 전자는 n형 반도체에 양공을 남기게 되므로, 양공은 p형 반도체에서 n형 반도체로 이동한 것과 같은 효과를 준다. 이렇게 옮겨진 전자와 양공은 전원으로부터 연결된 전극으로 빠져 나가고 p-n 접합 다이오드에 전류가 계속해서 흐를 수 있게 된다. 이렇게 연결된 바이어스전압을 순방향 바이어스라고 한다. 만약 바이어스 전압을 반대 방향으로 연결하면, p형 반도체의 양공과 n형 반도체의 전자가 p-n 접합부를 서로 건너가지 못하여 전류가 흐르지 않게 되기 때문에, 이렇게 연결된 바이어스전압을 역방향 바이어스라고 한다. 이처럼 바이어스 전압의 방향에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않게 되는 작용을 정류작용이라고 한다.

반도체 다이오드

1874년, 독일의 과학자 브라운은 금속과 광물 사이의 접촉면에서 "한 방향으로 흐르는 전기 전도(unilateral conduction)"를 발견했다. 보스(J. C. Bose)는 1894년에 최초로 결정을 이용하여 라디오 전파를 감지하였으며, 피카드(G. W. Pickard)는 1903년 규소 결정 감지기를 발명하여 이를 실용적인 무선 통신 기기로 발전시켰다. 또한 이 기술은 1906년 11월 20일에 특허로 등록되기도 하였다. 이외에도 많은 과학자가 여러 다른 광물을 감지기로 사용하기 위해 노력하였다.

이러한 반도체의 원리는 당시 정류기를 만든 사람들조차 이해하지 못했으나, 1930년대 물리학의 발전과 함께 점차 그 원리가 밝혀졌다. 또한 1930년대 중반에는 벨 연구소의 연구진이 결정 감지기를 전자파 기술에 응용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 벨 연구소, 웨스턴 일렉트릭, MIT, 퍼듀대학, 그리고 영국의 연구자들은 2차 세계대전 중 레이더에 활용하기 위해 점-접촉 다이오드(또는 결정 다이오드)를 집중적으로 발전시켰고, 2차 세계대전 이후에는 AT&T가 이 기술을 미국 전역 전파 탑에 적용하였다. 1946년에는 실바니아(Sylvania)가 1N-34 결정 다이오드를 판매하기 시작했으며, 1950년대 초에는 접합 다이오드가 발명되었다.

점-접촉 다이오드(Point-contact diodes)

점-접촉 다이오드는 1930년대에 개발되었으며, 현재는 일반적으로 3~30GHz 범위에서 사용된다. 점-접촉 다이오드는 얇은 금속 전선을 사용하며, 반도체 결정과 접촉하는데 비 용접(non-welded) 접촉형과 용접(welded) 접촉형이 있다. 비 용접 접촉형에서는 금속 전선의 한쪽 끝을 뾰족하게 만들어 반도체 결정과 접촉하게 되어 있으며 쇼트키 장벽 원리(Schottky barrier principle)를 이용한다. 점-접촉 다이오드는 일반적으로 접합 다이오드보다 낮은 전기 용량(capacitance), 높은 순방향 저항(forward resistance), 큰 역방향 누전(reverse leakage) 값을 가진다.

p-n 접합 다이오드(p-n junction diodes)

p-n 접합 다이오드는 보통 규소로 만들어지지만, 저마늄이나 갈륨-비소가 사용되기도 한다. 첨가해 주는 불순물의 종류에 따라 음전하 운반체(전자)를 갖고 n-형 반도체 특징을 보이는 영역이 생기기도 하며, 양전하 운반체(정공)를 갖고 p-형 반도체 특징을 보이는 영역이 생기기도 한다. 이러한 n-형과 p-형 반도체가 접합되면 처음에는 n-형에서 p-형 쪽으로 전자가 순간적으로 흐르게 되고 그 결과 전하 캐리어가 존재하지 않는 제3영역이 생기게 되는데 이 영역을 결핍 영역(depletion region)이라고 한다.

p-n 접합이라 불리는 두 영역 사이의 경계에서는 다이오드의 작용이 일어난다. 매우 높은 전위차가 n-형과 p-형 반도체 사이에 존재하게 되면, n-형 반도체에서 p-형 반도체 쪽으로 핍 영역을 지나 전자가 흐르게 한다. 이러한 접합은 전위차가 역방향으로 가해져서 전자가 반대 방향으로 흐르는 것은 방지할 수 있기에 전기 체크 밸브(electrical check valve)라고도 할 수 있다.

반도체 다이오드의 종류

보통의 p-n 접합 다이오드는 일반적으로 도핑된 규소나 저마늄으로 만들어진다. 규소 정류 다이오드의 개발 이전에는 구리 산화물이 주로 사용되었고 그 이후에는 셀레늄이 사용되었다. 하지만 구리 산화물이나 셀레늄의 경우 효율이 낮기 때문에 규소 다이오드와 동일한 전류를 발생시키기 위해서는 훨씬 높은 순방향 전압을 필요하다. 따라서, 현재 사용되고 있는 대다수의 다이오드는 p-n 다이오드이다.

발광 다이오드(Light-emitting diodes, LEDs)

갈륨-비소와 같은 띠 간격(band gap)을 갖는 반도체로 구성된 다이오드에서는 음전하 운반체(carrier)가 정공과 재결합할 때 광자를 방출하게 된다. 물질의 종류에 따라 적외선~근 자외선 사이에서 해당하는 색상을 나타낼 수 있다. 처음에는 빨간색과 노란색 LED가 개발되었으며, 이보다 단파장에 해당하는 색상을 갖는 다이오드는 그 후에 개발되었다.

레이저 다이오드(Laser diodes)

일반적인 반도체 레이저는 p-n 접합 사이에 활성층이 삽입된 구조를 가지며, 활성층의 종류에 따라 임계 전류가 달라진다. 레이저 다이오드는 일반적으로 광학 저장 장치나 고속 광통신에 사용된다.

광다이오드(Photodiodes)

모든 반도체는 광학 전하 운반체(optical charge carrier)를 생성하게 되는데 이는 다이오드 특성에 악영향을 미치기 때문에 피해야 한다. 따라서 대부분의 다이오드는 반도체와 함께 차광 재료를 포함하고 있다. 하지만 광다이오드는 빛을 감지해야 하므로 다이오드는 빛을 통과시키는 물질을 포함하고 있으며 대표적인 것이 PIN 다이오드이다. 이러한 광다이오드는 태양 전지, 측광 기기나 광통신 등에 사용된다.

PIN 다이오드(PIN diodes)

PIN 다이오드는 중간에 고유 반도체(intrinsic semiconductor)를 갖는 다이오드이며, p-형/고유 반도체 (intrinsic semiconductor)/n-형 반도체로 구성되어 있다. PIN 다이오드는 라디오 주파수 스위치나 감쇠기(attenuator)에 사용될 수 있으며, 대용량 이온화 방사선 검출기나 광검출기에 활용되기도 한다. 또한 중간에 포함된 고유 반도체층이 고전압을 견딜 수 있기에 전력공급 전기장치에 사용되기도 한다.

전자 기호

전형적인 다이오드의 기호. 줄이 표시된 극이 캐소드(cathode).

회로도에 다이오드를 표시할 때, 다이오드 종류에 따라 기호에 차이가 있다.

다이오드의 종류

• 정류 다이오드(Silicon diode)
• 검파 다이오드(Germanum diode)
• 정전압 다이오드(Zener diode)
• 정전류 다이오드(Current limiting diode, CLD)
• 에사키 다이오드(Esaki diode ,Tunnel diode)
• 쇼트키 다이오드(Schottky barrier diode)
• 가변용량 다이오드(Varactor diode)
• 셀렌 다이오드(Selenium diode)
• 수은 다이오드(Mercury diode)

정류 다이오드

다이오드의 가장 중요한 기능은 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게하는 정류작용이다. 전원공급장치나 신호처리시 정류작용을 활용한 회로에 적용할 수 있다. 이때는 역방향 전류는 흐르지 못하게 하는 기능을 활용한다.

주로 실리콘을 이용하여 만들어지고, 보통 전력제어용과 신호처리용으로 나누어 만들어진다. 실리콘 재질의 장점은 생산성과 품질 안정성이나 단점은 순전압이 저마늄에 비해 다소 높다. 즉 예를 들어 태양광으로 배터리를 충전시 발열로 인하여 전력 손실이 높다는 점이다. 저마늄은 실리콘에 비해 신호의 반응속도가 빠른 특성이 있으나 열에 약하며 고장의 위험이 있으며 초기 라디오 부품으로 사용되거나 제품의 특성상 주파수가 높은 경우에 저마늄을 사용하는 경우가 있다.

게르마늄 다이오드

일정 신호에서 필요한 신호만 거를 때 사용된다.

정전압 다이오드

역방향 바이어스에서 항복 전압(breakdown voltage) 이상이 되면 역방향의 항복 전류가 흐르는 것을 이용하는 다이오드가 정전압 다이오드(Zener diode)이다. 항복 전류가 흐를 때 특정 전압을 유지하는 특성을 이용한다. 정전압 다이오드는 보통 다이오드보다 높은 전압에서 항복 전압을 조절하여 역방향의 바이어스를 이용한다. 항복전압은 다이오드를 만들 때 전압을 결정하고 만들고 고정전압이다. 이것은 회로에서 역방향으로 동작하도록 전압의 양전압(+)에 캐소드(cathode)를 음전압(-)에 애노드(anode)를 인가한다. 역방향으로 전압을 인가 했을 때, 특정전압 이상이 되면 전류가 흘러 전압 상승을 방지한다. 특정 전압을 유지하는 회로에 적용하고, 주로 기준전압으로 사용한다.

정전류 다이오드

정전류 다이오드(Current limiting diode, CLD, Current regulating diode, CRD)는 반도체 소자로서 정전류원으로 사용되는 전자 부품이다.

JFET는 『게이트 전압이 일정하면 드레인 전류가 일정』라는 성질을 가지기 때문에 회로에 직렬로 연결하면 전류를 일정 수준으로 제한하는 정전류 소자로 사용할 수 있다. 이것을 하나의 전자 부품으로 사용한 것을 정전류 다이오드라고 부른다. 다이오드의 이름이 붙어 있지만 구조는 완전히 다르다. 교류적으로 해석할 때 무한대의 임피던스 특성을 나타낸다.

쇼트키 다이오드

n형 반도체에 p형 대신 금속을 사용하여 n형의 특성을 발휘하도록 만들어진 다이오드이다.

쇼트키 다이오드의 특성은:

• 순방향 전류 시 낮은 전압 : 방향 전압 인가 시, 0.2~0.3V이다. 실리콘 다이오드가 0.6~0.7V 인데 비해 전압이 낮다.
• 고속 전환 복구 시간 : 순방향과 역방향 바이어스 전환 시, 고속 복구 시간을 갖는다. 이것은 적은 전하량이 충전되기 때문이다. 고속 스위칭 응용회로에 적합하다.
• 낮은 접합 캐피시턴스 : 금속 접촉으로 액티브 영역이 작다. 이것은 전하의 충전을 작게 만든다.

중요한 특징으로 역방향에서 순방향으로 전환할 때, p-n 접합보다 빠른 전환이 가능하다. 따라서 신호 처리용과 전력제어용으로 사용이 가능하다.

스위칭 전원장치 등에 코일과 결합하여 입력쪽에서 전류가 단절되면 코일의 전류를 유지하도록 하는 요소로 사용할 수 있다.

광학

• 발광

• 발광 다이오드(Light emitting diode, LED)
• 레이저 다이오드(LASER diode)

• 수광

• 광다이오드(Photo diode)
• 전자사태 광다이오드(Avalanche photo diode)
• 핀 다이오드(PIN diode)

고주파

• 건 다이오드(Gunn diode)
• 임패트 다이오드(IMPATT diode)
• 핀 다이오드(PIN diode)

다이오드의 응용

라디오 신호복구(Radio demodulation)

다이오드의 첫 번째 용도는 진폭 변조(amplitude modulated, AM)된 라디오 방송을 원상으로 복구시키는 것이었다. AM 신호의 진폭은 원래 오디오 신호에 비례하는 라디오 반송파로써 양과 음의 피크가 교대로 나타난다. 다이오드는 AM 라디오 주파수 신호를 정류하여 반송파 중에서 양의 피크만을 남기고, 오디오는 간단한 필터를 사용해 이렇게 정류된 반송파를 추출한 후 증폭 시켜 소리로 변환시킨다.

전력 변환(Power conversion)

정류기는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하기 때문에 다이오드를 사용하여 만들어진다. 예를 들어, 자동차용 교류 발전기는 AC를 DC로 정류하는 다이오드를 포함하며 이는 기존에 사용되던 정류자(commutator)보다 훨씬 우수한 성능을 나타낸다. 마찬가지로, 다이오드는 AC를 더 높은 AC 전압으로 변환하기 위해 코크로프트-월턴(Cockcroft-Walton) 전압 배율기(voltage multiplier)에도 사용된다.

참고자료

• 〈다이오드〉, 《위키백과》
• 〈다이오드〉, 《화학백과》
• 〈다이오드〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 진공관
• 반도체
• 소자

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