고등학교 과학 박람회에서 우승을 안겨 준 제너 다이오드 그리고 건재함

회로 설계자는 반세기 넘게 제너 다이오드를 전압 레퍼런스와 전압 조정기로 사용해 왔습니다. 고등학교 2학년이던 1970년, 저는 과학 박람회 프로젝트에서 제너를 전원 공급 장치 설계에 처음으로 사용했습니다. 프로젝트는 적외선 LED, 광트랜지스터, 플라스틱 광섬유를 토대로 한 광섬유 광학 통신 시스템이었습니다. 당시에는 광섬유 통신과 광전자를 사용한 지 얼마 되지 않았기 때문에 과학 박람회 프로젝트에서 상을 받을 수 있었습니다.

광학 통신 시스템 설계에 RTL 디지털 논리를 사용했으나 오늘날의 “레지스터 전송 수준”에는 미치지 못했습니다. 오늘날의 RTL은 ASIC, SoC, FPGA 및 CPLD에서 논리를 설계하기 위해 사용됩니다. 지난 20세기 중반에 “RTL”은 최초의 실제 논리 IC 제품군이었던 “Resistor Transistor Logic(저항기 트랜지스터 논리)”의 약자였습니다.

RTL(논리 제품군)은 원래 미국 미사일 및 항공 우주 응용 분야를 위해 개발되었습니다. 이는 플라이 바이 와이어 시스템을 이용해 우주선의 주 엔진과 자세 추력기를 제어했던 AGC(Apollo Guidance Computer)를 구축하기 위한 논리 제품군으로 선택되었습니다. Apollo 및 AGC 플라이 바이 와이어 시스템은 기계식 또는 유압식 백업이 없는 최초의 시스템이었습니다. 1968년부터 1972년까지 AGC는 Apollo 미션 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17의 달 착륙과 무사 귀환의 업적을 달성했습니다. Apollo 미션 8과 10은 실제로 달에 착륙하지는 않았지만 실제로 그 거리를 이동했다가 무사 귀환했습니다.

AGC의 설계에는 RTL IC 수천 개가 사용되었는데, 과학 박람회 프로젝트에 동일한 종류의 첨단 전자 부품을 사용한다는 것이 제게는 작은 설레임이었습니다. 어쨌든 Apollo 프로그램은 제가 이 프로젝트를 설계했던 당시에도 여전히 큰 관심을 끌고 있었으니까요.

예전의 RTL IC에는 3.6V 정격 출력 공급이 필요했습니다. 오늘날에는 Texas InstrumentsLM317과 같은 가변 3단자 조정기가 단순한 선형 전원 공급 장치 설계를 위해 가장 많이 선택될 수 있겠지만, 그 당시에는 3단자 조정기가 발명된 지 불과 1년 밖에 되질 않아 보편적이지 않았고 LM317은 1976년이 되어서야 설계되었습니다. 당시 선형 정격 출력 공급 회로를 위한 최선책은 제너 다이오드를 기반으로 한 것이었기에 과학 박람회 프로젝트에 사용하게 되었던 것이죠 제 설계에는 Motorola Semiconductor의 제너 다이오드 여러 개를 몇몇 대형 패스 트랜지스터와 함께 사용하여 RTL IC를 위한 3.6V 공급을 비롯해 3정격 공급 전압을 생성했습니다. ON Semiconductor에서 Motorola Semiconductor의 모든 제너 다이오드를 이어 받아, 표면 실장 패키지로 공급되는 수많은 새로운 제품과 함께 현재까지 판매하고 있습니다. 심지어 ON Semiconductor는 PDF 형태로 제공되는 Motorola Semiconductor의 오래된 제너 다이오드 소책자까지도 넘겨 받았습니다(참고 자료 1 참조).

제너 다이오드 기본 사항

제너 다이오드는 순방향 바이어스 시 다른 모든 다이오드와 마찬가지로 작동하며, 다른 점은 역방향 바이어스 상태일 때입니다. 낮은 역방향 바이어스 전압의 경우 제너 다이오드는 전류를 유도하지 않습니다. 이는 여느 일반 반도체 다이오드에서나 예상되는 현상입니다. 하지만 제너 다이오드 전반의 역방향 바이어스 전압이 제너 또는 항복 전압에 도달하면 다이오드가 “항복”하고 전류가 흐릅니다.

제너 다이오드의 전류/전압 곡선(그림 1 참조)은 역방향 바이어스 제너 영역에 있는 장치 전반의 전압이 최저 필수 제너 전류(IZT)에 도달한 후 역방향 바이어스 전류와 상관없이 거의 일정하게 유지됨을 보여줍니다. 다시 말해, 제너 다이오드는 광범위한 역방향 바이어스 상태에서 기대 수준의 레퍼런스 전압을 안정적으로 제공합니다.

그림 1: 제너 다이오드의 전류/전압 곡선은 정방향 바이어스 전압에 대해 정상적인 다이오드 동작을 보여주지만(곡선의 오른쪽 절반), 역방향 바이어스 전압에 대한 항복 동작은 제너 전압과 같거나 큽니다(곡선의 왼쪽 절반). (이미지 출처: ON Semiconductor)

제가 과학 박람회 프로젝트에 사용했던 때로부터 거의 50년이 지난 오늘날에도 제너 다이오드는 전압 레퍼런스는 물론 저전류 전원 공급 장치를 위한 저렴한 소형 조정기 역할을 하고 있으며 연이어 연결된 경우에는 신호 전압 클램프 역할을 하기도 합니다.

제너 다이오드는 처음으로 전압 항복 효과를 예상했던 Clarence Melvin Zener의 이름을 딴 것으로, 1934년에 발행된 보고서에서는 제너 효과로 소개되었습니다. 이는 1950년 무렵 William Shockley가 Bell Labs에서 초기 반도체 다이오드에서 예상되던 효과를 목격했던 것보다 한참 전의 일입니다. Shockley는 항복 효과를 예상했던 인물을 존경하는 의미를 담아 이러한 장치에 “제너 다이오드”라는 이름을 붙였습니다.

그림 2에 표시된 음극 막대에 있는 날개 두 개로 회로도에서 제너 다이오드를 알아볼 수 있습니다. 제너 다이오드의 회로도 기호에서 수정된 음극 막대를 다이오드 항복 특성 곡선의 추상적 표현이거나 “제너”의 “Z”를 양식화한 것으로 생각할 수 있습니다. (저는 그렇게 생각합니다.)

그림 2: 관점에 따라 제너 다이오드 회로도 기호의 음극 막대는 장치의 항복 특성을 표현하거나 “제너”의 “Z”를 양식화한 것으로 보입니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

제너 다이오드의 중요한 특성은 역방향 바이어스 상태에서 제너 효과를 시작하고 유지하기 위한 충분한 전류(보통 수 mA)를 공급 받았을 때, 전반적으로 거의 일정한 전압을 유지한다는 점입니다. 이러한 거의 일정한 전압은 안정적인 레퍼런스 전압 역할을 합니다.

제너 다이오드는 매우 큰 정전압에서 사용할 수 있습니다. Digi-Key의 제너 다이오드 페이지를 살펴보면 1.2V ~ 200V 범위의 150가지가 넘는 다양한 제너 항복 전압을 보유한 2,988개 이상의 제너 다이오드 목록(모두 ON Semiconductor에서 제공)을 확인할 수 있습니다.

기술적으로 역방향 항복 전압이 5.5V 이상인 모든 제너 다이오드는 애벌란시 다이오드지만 제너 다이오드와 애벌란시 다이오드는 모두 이러한 장치가 전압 레퍼런스 역할을 하도록 허용하는 유사한 역방향 항복 효과를 보이므로 주로 모두 “제너” 아래에 함께 묶입니다.

제너 다이오드 항복 전압 범위는 매우 넓습니다. 기본적으로 1.2V ~ 7V 범위에서 0.1V 단위로 제공되므로 제너 다이오드를 사용해 특정 레퍼런스 전압을 생성하려는 경우 트리밍이 거의 필요하지 않습니다.

제너 다이오드 사용

제너 다이오드를 전압 레퍼런스 또는 전압 조정기로 사용할 때 핵심은 수 mA 정도 범위의 충분한 전류를 받아 역방향 바이어스 상태에서 제너 효과를 유지하도록 해야 한다는 것입니다. 이는 적절한 크기의 계열 저항기로 유지할 수 있습니다(그림 3). 저항기 값과 와트 수는 Vin 및 Vref의 값에 따라 다릅니다.

그림 3: 단순한 제너 전압 레퍼런스나 조정기는 적합한 저항기를 사용해 제너 다이오드에 충분한 전류를 공급함으로써 제너 효과를 유지합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

회로도는 제너 전압 레퍼런스 또는 저전류 전원 공급 장치를 위한 제너 전압 조정기로 사용됩니다. 제너 다이오드는 특히 일정한 저전류 부하에 맞는 저렴한 조정기 역할을 할 수 있습니다. 부하가 달라지면 제너 다이오드를 통과하는 전류도 달라집니다. 제너 다이오드는 부하가 사용하지 않는 모든 전류를 흡수해야 합니다. 부하 전류가 0으로 떨어질 경우 계열 저항기를 통과하는 전체 전류를 제너 다이오드가 처리할 수 있어야 하므로 이는 중요합니다.

제너 다이오드가 소멸시켜야 하는 최대 전력은 제너 다이오드를 통과하는 전류에 제너 전압을 곱한 값입니다. 정전류 부하를 위해서는, 제너 항복 효과를 시작하고 유지하는 정도로만 전류가 다이오드를 통해 흐르도록 계열 저항기의 크기를 조정해야 합니다. 나머지 전류는 부하를 통해 흘러야 합니다. 부하 전류가 0으로 떨어질 수 있는 경우 부하가 0인 상태에서 제너 다이오드를 통과한 전류에 제너 전압을 곱하면 제너가 소멸시킬 수 있는 절대 최소 전력이 산출됩니다. 평소와 같이 부하 전류가 다를 수 있는 응용 분야에서 과열을 피하도록 제너 다이오드의 정격 전력에 약간의 여유를 두세요.

상세한 응용 분야 정보와 주어진 제너 다이오드 응용 분야에 적합한 저항기 값을 계산하는 데 필요한 방정식에 대해서는 앞에서 언급한 ON Semiconductor의 제너 다이오드 핸드북을 참조하세요.

제너 항복 효과를 유지하는 데 필요한 전류는 mA 단위이며 이는 저전류 회로에서 문제가 될 가능성이 있습니다. 이제 그러한 응용 분야에 작동 전류가 매우 작은 2단자 전압 레퍼런스(밴드갭 레퍼런스라고도 불림)를 사용할 수 있습니다.

예를 들어 Texas Instruments의 LM4040 Precision Micropower 션트 전압 레퍼런스의 최소 음극 전류는 80A 미만이며, 고정 레퍼런스 전압 2.048V, 2.5V, 3V, 4.096V, 5V, 8.192V, 10V로 제공되며 공장 트리밍 전압 허용 오차 범위는 0.1% ~ 1%입니다.

그림 3 회로도에서 볼 수 있듯이 실제로 이러한 전압 레퍼런스의 회로 설계는 제너 다이오드의 설계와 동일합니다. LM4040 전압 레퍼런스의 활성 단자 2개는 장치가 다이오드인 것처럼 양극과 음극이라 불립니다. 하지만 회로도에서 볼 수 있듯이 LM4040은 분명히 다이오드가 아닙니다(그림 4).

그림 4: LM4040 전압 레퍼런스 내부 회로도는 이 제품이 단순한 다이오드 이상임을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

결론

장치가 등장한 지 오래되었다고 해서 더 이상 유용하지 않다는 의미는 아닙니다. 장치 공급업체는 60년 이상 제너 다이오드를 제작해 왔으며 지금까지와 똑같은 작업을 수행하면서 활발히 활용되고 있습니다. 저도 꽤 변했고 제 역할도 변했지만 감사하게도 저도 아직 건재합니다.

작동하는 데 더 적은 전류를 요구하는 전압 레퍼런스가 필요하다면 2단자 전압 레퍼런스도 살펴보세요.

 

참고 자료:

1 ON Semiconductor - 제너 이론과 설계 고려 사항

작성자 정보

Image of Steve Leibson Steve Leibson은 HP와 Cadnetix에서 시스템 엔지니어로 근무한 후, EDN 및 Microprocessor Report에서 편집장을 역임했습니다. 또한 "The Next Wave with Leonard Nimoy”에 기술 전문가로서 2회 출연한 바 있습니다. 그는 33년 동안 설계 엔지니어가 보다 빠르고 효율적이며 신뢰성이 뛰어난 시스템을 개발할 수 있도록 지원해 왔습니다.
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