Ch.3 특수 목적 Diode

제너 다이오드 직류전원의 전압 안정화 역방향 항복에서 동작 전압  불순물 도핑으로 조정 제너 다이오드의 항복 (Zener Breakdown) 애벌런치 breakdown: 높은 역전압 (5V 이상)에서 발생 제너 breakdown: 낮은 역방향 전압에서 발생 (5V이하) Doping density 증가  좁은 공핍층 강한 전계 발생  전류 생성

제너 다이오드 항복특성 제너 정전압조정 VR 증가: IR은 변곡점 (Knee)까지 일정 변곡점부터 항복 효과 시작 ZZ (zener impedance:내부 제너 저항) 감소 역방향 제너 전류 급격히 증가 VZ : 제너 항복 전압  거의 일정한 값 유지 제너 정전압조정 IZK: diode를 정전압 소자로 이용하기 위한 최소 전류 IZM: diode가 손상되기 전의 전류  IZK ~ IZM: 역방향 전압이 일정하게 유지 IZT (제너 시험 전류) : 규격표에 명시 양단의 전압을 일정하게 유지시킬 수 있는 능력은 제너다이오드의 중요한 특징

제너 다이오드 제너 다이오드의 등가회로

제너 다이오드 온도계수 예제 3-3 온도계수 (TC): 온도변화에 대한 제너전압의 변화 [ %/°C] 또는 [mv/°C] 온도변화에 따른 제너전압의 변화 온도계수 [%/°C] 인 경우 VZ = VZ ×TC × T VZ: 25°C에 정상적인 제너전압, TC: 온도계수 %/°C, T : 온도변화 온도계수 [mv/°C] 인 경우 VZ = TC × T 예제 3-3 VZ = 8.2 V, TC = 0.05 %/°C 일때 60 °C 의 제너전압? VZ = VZ ×TC × T = (8.2)(0.05×0.01)(60-25) = 144 mV VZ (60 °C) = VZ (25 °C) + VZ = 8.2 + 144m = 8.34 V

제너 다이오드 제너 소비전력과 경감 (derating) 예제 3-4 제너다이오드의 직류 소비전력 : PD = VZ × IZ 전력부담 경감 제너다이오드의 최대 소비전력 (PD(max))은 전형적으로 특정온도 또는 그 이하의 온도에서 정해짐 온도가 증가  전력 감소 PD(derated) = PD(max) - (mW/ °C ) T 전력경감계수 (mW/ °C ) 예제 3-4 PD(max)= 400 mW (50 °C ), 3.2 mW/ °C 일때 90 °C 의 온도에서 소비될 수 있는 최대전력? PD(derated) = PD(max) - (mW/°C) T = 400m – (3.2m)(90 – 50) = 400m – 128m = 272 mW

제너 다이오드 제너 다이오드 규격표 제너 전압 : VZ @ IZT 최대 제너 임피던스 (ZZT) = VZ / IZ 시험 전류에서 측정된 동적(교류) 임피던스 역누설 전류 변곡점보다 적은 역전압 값에 대한 역바이어스된 제너 다이오드를 통해 흐르는 전류 최대 제너 전류 IZM = PD(max) / VZ 전력 경감 (mW/°C) : 온도에 따른 전력 변화량 그림 3-7(b) 그래프의 데이터에서 추출 온도계수 (mV/°C) 온도에 따른 제너전압의 변화량 그림 3-7 (c) 그래프의 데이터에서 추출

제너 다이오드

제너 다이오드의 응용 입력 전압 안정의 변화에 따른 정전압 조정 (regulation) 입력전압이 제한된 범위내에서 변화할때 제너 다이오드는 출력단자 양단의 전압을 거의 일정하게 유지 단 입력 전류( Iz ) 가 IZK < IZ < IZM 일 때만 유지

제너 다이오드의 응용 예제 IN4740 10V 제너 다이오드가 IZK=0.25mA에서 IZM=100mA까지 제너 전류의 범위에 대해 정전압을 유지할 수 있다면 입력전압의 범위는? (단, PD(max)=1W, VZ =10V) IZM = PD(max)/VZ = 1W/10V = 100 mA 최소전류에 대해 220저항 양단의 전압은 VR =IZKR=(0.25mA)(220)=55mV VR = VIN – VZ 이므로 VIN(min) = VR + VZ=55mV+10V=10.055V 최대제너전류에 대해 220저항 양단의 전압은 VR = IZMR=(100mA)(220  )=22V VIN(max) = VR + VZ=22V+10V=32V VIN = 10.055 ~ 32 V

제너 다이오드의 응용 (예제 3-5) Q 1N4733 제너 다이오드 에서 IZT = 49mA 에서 VZ = 5.1V, IZK = 1mA, ZZ = 7  이고 ZZ 은 전류값에 대해 일정하다고 가정하면 전압 안정화 시키기 위한 최대 최소 입력전압? IZK 에서 출력전압을 구한 후 최소 입력전압 구함 VOUT = VZ - VZ = 5.1 – (IZT - IZK) ZZ = 5.1 – (49m – 1m)(7) =4.76 V VIN(min) = IZKR + VOUT = (1m)(100) + 4.76 = 4.86 V 최대 입력 전압  최대 제너전류 (만약 온도 < 50 °C  PD(max)= 1W) IZM = PD(max)/VZ = 1/5.1 = 196 mA VOUT = VZ + VZ = 5.1 + (IZM - IZT) ZZ = 5.1 + (196m – 49m)(7) =6.13V VIN(max) = IZMR + VOUT = (196m)(100) + 6.13 = 25.7 V 등가회로

제너 다이오드의 응용 부하변화에 따른 제너 정전압조정 (load regulation) 무부하 대 전부하 IZK ~ IZM 사이의 IZ에서 RL의 전압을 일정하게 유지 무부하 대 전부하 RL= : IL = 0A  Iz는 최대 RL감소  IL 증가  Iz 감소 Iz = IZK 일때 IL 최대

제너 다이오드의 응용 (예제 3-6) Q R = 470 , VIN = 24V , VZ = 12V, IZK = 1mA, IZM = 50mA, ZZ = 0 , 안정화를 위한 최대 최소 부하전류? RL=  이면 IL최소, IZ최대 ( IL(min) = 0A  Iz(max) ) Iz(max) = IT = (VIN – VZ)/R = (24-12)/470 = 25.5 mA (다이오드 동작범위 내에 있음) Iz는 최소 이면 IL 은 최대 최소 Iz = IZK IL(max) = IT - IZK = 25.5 m – 1m = 24.5 mA (VZ 일정하므로 IT 일정)  RL(min) = VZ/IL(max) = 12/24.5m = 490  RL이 490 이하가 되면 부하전류가 증가  Iz는 IZK 이하가 되어 안정화 기능 상실

제너 다이오드의 응용 제너 다이오드 제한작용 교류응용에 사용하여 전압의 진동폭을 원하는 레벨로 제한할 수 있다. VZ2

버렉터 다이오드 역방향 바이어스에서 동작 역방향바이어스에 의해 넓어진 공핍층은 비전도 특성 때문에 유전체와 같이 작용 PN 접합 공핍층의 고유 정전용량이 최대가 되도록 도핑 접합 정전용량이 역방향 바이어스의 양에 따라 변화 (가변 정전용량 다이오드) 가변 정전용량다이오드

Varactor Diode 기본동작 기호 및 등가회로 역방향 바이어스 증가  공핍층 증가  캐패시턴스 감소 캐패시턴스 C = (A)/d 단, A: 극판면적, : 유전체 상수, d: 유전체 두께 기호 및 등가회로

광학 다이오드 광학다이오드 광방출 다이오드 (LED: light emitting diode) 광 다이오드 (Photo Diode) : 빛을 검출하는 다이오드 광방출 다이오드 (LED: light emitting diode) 전계 발광 (electroluminescence): 순방향 바이어스: n영역의 자유전자  p 영역으로 이동, 정공과 재결합  광과 열 에너지 방출  표면 photon (광자) 발생 Doping 물질에 따라서 색을 결정 GaAs: 적외선 (Infrared: IR) GaAsP: Yellow or red GaP: Green or red

광학 다이오드 광 다이오드 역방향 방이어스로 동작하는 소자 Pn접합이 광에 노출될 때 역방향 전류 발생 광의 강도에 따라 전류 증가 암전류 조사되는 빛이 없을 때 역방향 전류로 거의 무시

기타 다이오드 전류 안정 다이오드: 일정 전류를 유지 쇼트키 다이오드 핀 다이오드 계단복구 다이오드 터널 다이오드 cf. 제너 다이오드: 일정 전압 유지 쇼트키 다이오드 바이어스변화에 빠른 속도로 응답, 고주파, 고속스위칭 에 사용 핀 다이오드 역방향바이어스 : 일정한 커패시터처러 동작 순방향 바이어스: 가변저항 처럼 동작 계단복구 다이오드 순방향 역방향 일때 축적된 전하를 빨리 방출  fast switching time VHF와 빠른 스위칭 응용 터널 다이오드 부성 저항 (negative resistance) 특성갖음, 발진기와 마이크로파 증폭기 응용 레이져 다이오드 Laser 다이오드 : Coherent light-협대역파장 방출 LED : Incoherent light –광대역파장 방출