제너, PIN, 쇼트키, 버랙터 다이오드에 대한 기본사항 및 응용 분야

기존의 실리콘 또는 게르마늄 다이오드는 대부분의 전자 제품에서 정류기 및 스위칭 소자로는 잘 작동하지만 전자 동조, 전자 감쇠, 저손실 정류, 전압 레퍼런스 생성과 같은 기능은 대부분 정상적으로 작동하지 않습니다. 원래는 초기 단계의 값이 비싸고 대규모 '무차별 대입' 방법으로 이러한 작업을 수행했습니다. 이러한 방법은 이제 버랙터(또는 가변 정전 용량), PIN, 쇼트키, 제너 다이오드를 비롯한 더 명쾌한 특수 목적 다이오드로 발전했습니다.

각각의 다이오드 유형은 저가형 다이오드 구조를 통해 틈새 응용 분야를 채우도록 다이오드의 일부 고유한 특성을 개선하여 설계되었습니다. 이 특수 목적 다이오드를 사용하면 이러한 응용 분야에서 기존 솔루션의 크기, 비용 및 비효율성이 감소합니다. 일반적으로 스위치 모드 전원 공급 장치, 극초단파 및 RF 감쇠기, RF 신호 발생기, 트랜시버 등에 사용됩니다.

이 기사에서는 특수 목적 다이오드의 역할과 작동을 설명합니다. 그런 다음 Skyworks Solutions 및 ON Semiconductor를 예로 들어 특수 목적 다이오드의 일반적인 특성을 살펴보고, 마지막으로 회로를 예로 들어 이러한 다이오드를 효율적으로 사용하는 방법을 보여줍니다.

제너 다이오드 전압 레퍼런스

제너 다이오드는 역방향 바이어스 시 다이오드 전체에서 정전압을 유지하도록 설계되었습니다. 이 기능은 전원 공급 장치의 중요한 기능이기도 한 알려진 레퍼런스 전압을 공급하는 데 사용됩니다. 제너 다이오드는 파형이 전압 한도를 초과하지 않도록 파형을 클리핑하거나 제한하는 데에도 사용됩니다.

제너 다이오드는 과도핑된 p-n 접합을 사용하여 제조되어 공핍층이 매우 얇습니다. 이 영역의 결과 전기장은 저인가 전압에서도 매우 높습니다. 이러한 조건에서 두 메커니즘은 모두 다이오드 항복을 발생하여 높은 역전류가 생성됩니다.

• 한 조건에서 전압이 5V 미만일 때 전극 양자 터널링으로 인해 제너 항복이 발생합니다.
• 두 번째 항복 메커니즘은 전압이 5V를 초과할 때 애벌런치 항복 또는 충격 이온화로 인해 발생합니다.

어느 경우든 다이오드는 비슷하게 작동합니다(그림 1).

그림 1: 제너 다이오드의 회로도 기호가 전류-전압 특성 곡선과 함께 표시됩니다. 제너 다이오드의 전류-전압 특성에는 일반 순방향 유도 영역이 있지만 역방향 바이어스 시 다이오드 전반에서 일정한 전압으로 항복됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

제너 다이오드는 순방향 바이어스 시 표준 다이오드로 작동합니다. 역방향 바이어스 조건에서 역방향 바이어스 레벨이 제너 전압 레벨(V_Z)을 초과하면 항복이 나타납니다. 이 지점에서 다이오드는 음극과 양극 사이에서 거의 일정한 전압을 유지합니다. 다이오드를 제너 항복 영역에서 유지하기 위한 최소 전류는 I_Zmin이고, 다이오드의 정격 내전력에 의해 결정되는 최대 전류는 I_Zmax입니다. 과열 및 고장을 방지하기 위해 외부 저항을 통해 전류를 제한해야 합니다. 이는 ON Semiconductor의 1N5229B 제너를 기반으로 구축된 기본 제너 기반 전압 조정기의 회로도 구성도에 나와 있습니다(그림 2).

그림 2: 제너 다이오드를 사용하는 기본 전압 조정기의 회로도 구성도 및 부하 조정 응답 (이미지 출처: DigiKey)

공칭 제너 전압 4.3V에서 1N5229B 제너 다이오드의 최대 내전력은 500mW입니다. 75Ω 계열 저항기(R1)는 무부하 상태에서 내전력을 455mW로 제한합니다. 부하 전류가 높아지면 내전력은 감소합니다. 부하 조정 곡선은 200Ω ~ 2,000Ω의 부하 저항 값에 대해 표시됩니다.

전압 조정 이외에 제너 다이오드를 유선으로 백 투 백 연결하여 제너 전압에서 제어된 전압 한도와 순방향 전압 강하 값을 제공할 수 있습니다. 4.3V 제너 제한기는 ±5V에서 제한됩니다. 제한 응용 분야를 일반적인 과전압 보호 회로로 확장할 수 있습니다.

쇼트키 다이오드

쇼트키 또는 핫 캐리어 다이오드는 금속 반도체 접합을 기반으로 합니다(그림 3). 접합의 금속 측은 양극 전극을 형성하고 반도체 측은 음극입니다. 순방향으로 바이어스 시 쇼트키 다이오드의 최대 순방향 전압 강하는 순방향 전류와 다이오드 종류에 따라 0.2V ~ 0.5V 범위에서 달라집니다. 이 낮은 순방향 전압 강하는 쇼트키 다이오드를 전원과 직렬로 사용할 경우에 매우 유용합니다. 예를 들어 역전압 보호 회로에서 이 전압 강하는 전압 손실을 줄입니다.

그림 3: 쇼트키 다이오드의 물리적 구조는 금속 N형 반도체 접합을 기반으로 하여 순방향 전압 강하가 낮고 스위칭 시간이 매우 빠릅니다. (이미지 출처: DigiKey)

이러한 다이오드의 또 하나의 중요한 특징은 스위칭 시간이 매우 빠르다는 것입니다. 켜짐 상태에서 꺼짐 상태로 전환할 때 공핍층에서 전하를 제거하는 데 시간이 걸리는 표준 다이오드와 달리, 쇼트키 다이오드는 금속 반도체 접합에 연결된 공핍층이 없습니다.

쇼트키 다이오드는 실리콘 접합 다이오드에 비해 정격 피크 역전압이 제한됩니다. 이로 인해 쇼트키 다이오드 사용은 일반적으로 저전압 스위치 모드 전원 공급 장치로 국한됩니다. ON Semiconductor 1N5822RLG의 정격 피크 역전압(PRV)은 40V이고 최대 순방향 전류는 3A입니다. 이 다이오드는 스위치 모드 전원 공급 장치의 다양한 영역에 응용될 수 있습니다.

그림 4: 스위치 모드 전원 공급 장치의 일반 쇼트키 다이오드 응용 분야의 예로는 역전압 보호(D1) 및 과도 전압 억제(D2)가 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

쇼트키 다이오드를 사용하면 입력 시 의도치 않게 조정기 회로의 극성이 역으로 적용되는 것을 방지할 수 있습니다. 위 예에서 다이오드 D1이 이 용도로 사용됩니다. 이 응용에서 중요하게 사용되는 다이오드의 이점은 낮은 순방향 전압 강하에 있습니다. 쇼트키 다이오드(이 경우 D2)의 더 중요한 기능은 스위치를 끌 때 인덕터(L₁)를 통과하는 전류의 귀로를 제공하는 것입니다. D2에서 이 기능을 수행하려면 짧고 낮은 유도 용량 배선에 고속 다이오드가 연결되어 있어야 합니다. 쇼트키 다이오드는 이 응용에서 저전압 공급을 위한 최상의 성능을 제공합니다.

쇼트키 다이오드는 빠른 스위칭, 낮은 순방향 전압 강하 및 낮은 정전 용량으로 인해 감지기와 샘플 앤 홀드 스위치에 유용하므로 RF 설계에서도 응용됩니다.

버랙터 다이오드

버랙터 다이오드(배리캡 다이오드라고도 함)는 가변 정전 용량을 제공하도록 설계된 접합 다이오드입니다. P-N 접합은 역방향 바이어스이며, 인가된 DC 바이어스를 변경하여 다이오드 정전 용량을 변경할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 버랙터 다이오드는 인가된 역방향 바이어스에 따라 가변 정전 용량을 제공합니다. 바이어스 레벨이 높을수록 정전 용량은 낮습니다. (이미지 출처: DigiKey)

버랙터의 정전 용량은 인가된 DC 바이어스에 반비례합니다. 역방향 바이어스가 높을수록 다이오드 공핍 영역은 넓고 정전 용량은 작습니다. 이 변화는 Skyworks Solutions의 SMV1801-079LF 초계단 접합 버랙터 다이오드에 대한 정전 용량 및 역전압 비교 그래프에서 그래픽으로 확인할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 역방향 바이어스 전압의 함수로서 Skyworks Solutions SMV1801-079LF 버랙터의 정전 용량 (이미지 출처: Skyworks Solutions)

이러한 다이오드는 높은 항복 전압과 높은 바이어스 전압(28V)을 제공하며 폭넓은 조정 범위에 응용할 수 있습니다. 다음 단계에서 바이어스 문제를 방지하려면 버랙터에 제어 전압을 인가해야 합니다. 제어 전압은 일반적으로 그림 7과 같이 정전 용량 방식으로 결합됩니다.

그림 7: 버랙터 조정 발진기 AC는 커패시터 C1을 통해 버랙터 D1을 발진기에 결합합니다. 저항기 R1을 통해 제어 전압을 인가합니다. (이미지 출처: DigiKey)

버랙터는 대형 커패시터 C1을 통해 발진기 탱크 회로에 결합된 AC입니다. 이 AC는 버랙터 D1을 트랜지스터 바이어스 전압과 분리하며 반대의 경우도 마찬가지입니다. 분리 저항기 R1을 통해 제어 전압을 인가합니다.

버랙터는 조정 RF 또는 극초단파 필터, 주파수 또는 위상 변조기, 위상 변이, 주파수 배율기 등과 같은 다른 응용 분야에서 가변 커패시터를 대체할 수 있습니다.

PIN 다이오드

PIN 다이오드는 RF 및 극초단파 주파수에서 스위치 또는 감쇠기로 사용됩니다. 기존 다이오드의 P형 층과 N형 층 사이에 저항성이 우수한 고유 반도체 층을 삽입하여 이 다이오드를 형성하며, 따라서 이름도 PIN입니다(그림 8).

언바이어스 또는 역방향 바이어스 다이오드는 고유 층에 저장된 전하가 없습니다. 이는 스위칭 응용 제품의 꺼짐 조건입니다. 고유 층 삽입은 다이오드 공핍층의 유효 폭을 넓히므로 정전 용량이 매우 낮고 항복 전압이 높아집니다.

그림 8: PIN 다이오드 구조에서 각각 양극 및 음극 전극의 P 소재와 N 소재 사이에는 고유 반도체 소재 층이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

순방향 바이어스 조건에서는 구멍 및 전극이 고유 층에 삽입됩니다. 이 캐리어가 서로 재결합하는 데 시간이 소요되며, 이 시간을 캐리어 수명(t)이라고 합니다. 고유 층의 유효 저항을 최소 저항 R_S로 낮춰주는 평균 저장 전하가 있습니다. 순방향 바이어스 조건에서 이 다이오드는 RF 감쇠기로 사용됩니다.

Skyworks Solutions의 SMP1307-027LF PIN 다이오드 어레이는 5MHz ~ 2GHz 주파수 범위에서 RF/극초단파 감쇠기로 사용하기 위해 4개 PIN 다이오드를 공통 패키지로 결합합니다(그림 9).

그림 9: Skyworks Solutions의 SMP1307-027LF PIN 다이오드 어레이를 기반으로 하는 PIN 다이오드 감쇠기 회로. 그래프는 제어 전압을 파라미터로 사용하여 감쇠와 주파수를 비교하여 보여줍니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions)

PIN 다이오드 어레이는 저왜곡 파이형(Pi) 및 티형(Tee) 구성 감쇠기에 사용하도록 설계되었습니다. 유효 저항 R_S의 최대값은 캐리어 수명이 1.5µs일 때 100Ω(1mA 기준) 및 10Ω(10mA 기준)입니다. 이 값은 TV 신호 분배 응용을 위한 것입니다.

결론

이러한 특수 목적 다이오드는 현재는 단종된 기술로 실행되던 이전의 주요 기능에 대한 명쾌한 솔루션을 제공하여 전자 회로 설계의 대세로 자리 잡았습니다. 제너 다이오드는 저전압 레퍼런스를 지원하고, 쇼트키 다이오드는 전력 손실이 낮고, 버랙터 다이오드는 전자 조정을 지원하고 대규모 기계식 가변 커패시터를 대체하며, PIN 다이오드는 전기 기계 RF 스위치를 고속 RF 스위치로 대체합니다.