[기초전자회로실험] 2. 다이오드의 특성

[기초전자회로실험] 2. 다이오드의 특성

1. 실험목적

실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 다이오드의 특성곡선을 계산하고 측정하여 비교한다.

2. 실험이론

반도체는 전기적으로 전도율이 도체와 절연체의 중간인 고체이고, 반도체 소자에는 접합 다이오드, 제너 다이오드, 트랜지스터(BJT, FET), 집적회로(IC) 등이 있으며, 컴퓨터, 휴대폰, TV등의 전자제품에 이용된다.

반도체 소자들은 제어 기능을 할 수 있으며, 정류기, 증폭기, 발진기, 스위칭 소자 등으로 사용된다. 다음은 전자분야에 반도체가 사용되는 특성이다.

-반도체는 고체이므로 소자에 진동을 거의 전달하지 않는다.

-반도체 제품은 사용전력과 방열량이 적으며, 예열시간이 불필요하여 전원공급 즉시 작동한다.

-반도체는 단단하여 외부 상태변화에 영향을 거의 받지 않으며, 작은 크기로 제작할 수 있기 때문에 작은 공간에 많은 회로소자를 집적할 수 있다.

반도체 소자를 만드는데 사용한 재료로 초기에 게르마늄(Ge)을 사용했으나, 예민한 특성(때문에 화재경보기, 보안장치 등에 사용됨)으로 인해 현재는 실리콘(Si)이 주로 사용된다. 

게르마늄과 실리콘은 실질적인 반도체 재료로 공정에 투입되기 전에 높은 순도를 유지해야 한다. 반도체의 전도율은 순도가 높을 수록 저항이 커서 낮고, 순도가 낮을 수 록 저항이 작아서 높다. 게르마늄, 실리콘에 불순물을 주입해서 전도율을 높일 수 있다. 불순물의 종류 또는 양을 조절하는 것을 도핑(doping)이라 하고, 도핑으로 전자결합 구조를 변화시켜 캐리어를 발생시켜 전도율을 증가시킨다.

전도율을 높이기 위해 주입되는 불순물에는 비소(As), 안티몬(Sb), 인(P), 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등이 있고, 비소, 안티몬, 인이 불순물로 도핑되면 다수 캐리어인 자유전자의 수가 증가해서 실리콘의 전도율이 높아진다. 때문에 비소나 안티몬을 도핑한 실리콘은 n형 반도체라고 한다. n형 반도체에는 소수 캐리어인 정공이 있고, 다수 캐리어인 자유전자에 의해 전류가 흐른다. 

인듐, 갈륨, 알루미늄이 불순물로 도핑되면 다수 캐리어인 정공의 수가 높아져 실리콘의 전도율이 높아진다. 때문에 인듐이나 갈륨으로 도핑된 실리콘을 p형 반도체라고 한다. p형 반도체에는 소수 캐리어인 자유전자가 있고, 다수 캐리어인 정공에 의해 전류가 흐른다.

반도체 다이오드는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합시켜서 놓은 것이다.

위의 오른쪽 그림에서 p형 반도체에 +전압을, n형 반도체에 -전압을 거는 것을 순방향 바이어스라고 한다. 이때 p형 반도체의 다수 캐리어인 정공은 n형 반도체로, n형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 p형 반도체로 이동해서 순방향 전류 \(i\)가 흐르고, 이때 자유전자와 정공은 결합해서 캐리어의 기능을 상실하지만 결합하는 동안 다른 전자-정공 결합으로부터 열에너지에 의해 전자와 정공이 분리된다. 이 순방향 전류는 \(\displaystyle I=I_{s}(e^{\frac{qV}{kT}}-1)=I_{s}(e^{\frac{V}{V_{T}}}-1)\approx I_{s}e^{\frac{V}{V_{T}}}\)로 표시된다. 이때 \(I_{s}\)는 순방향 포화전류이고, \(V_{T}\)는 열전압으로 상온에서 \(\displaystyle V_{T}=\frac{kT}{q}=26\text{mV}\)이다. 계속적인 재결합과 분리로 인해 외부 회로에 일정한 전류를 흐르게 한다.

아래의 오른쪽 그림은 위의 오른쪽 그림과 반대로 역방향으로 전압을 걸은 것을 나타낸 그림이다. 이렇게 하는 것을 역방향 바이어스라고 하고 이때 p형 반도체의 다수 캐리어인 정공과 n형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 각각의 전극쪽으로 끌려가고, 끌려간 후의 빈공간인 결핍층이 형성되는데, 이 결핍층은 절연체와 같이 작동한다. 순방향과 역방향을 고려하지 않은 일반적인 다이오드의 특성곡선은$$i=I_{S}(e^{\frac{V}{V_{T}}}-1)$$이고, 그 곡선은 다음과 같다.

순방향 영역에서 전류가 갑자기 증가하기 시작하는 전압을 무릎전압이라 한다. 무릎전압은 실리콘 다이오드의 경우 \(0.7\text{V}\)이고, 게르마늄 다이오드의 경우, \(0.3\text{V}\)이다.

특성곡선에서 직류일 경우, 특정한 점에서 DC 또는 정저항은 그 특정한 점에서의 전압(다이오드에 걸리는 전압)과 다이오드에 흐르는 전류의 비로써 계산된다. 즉 \(\displaystyle R_{\text{DC}}=\frac{V_{D}}{I_{D}}\)(단위: \(\Omega\))

특정한 다이오드 전류 또는 전압에서 AC(교류)저항은 전압의 변화량 \(\Delta V\)와 전류의 변화량 \(\Delta I\)의 비로써 계산된다. 즉 \(\displaystyle r_{d}=\frac{\Delta V}{\Delta I}\)(단위: \(\Omega\))이고, 특성곡선을 미분해서 다이오드의 교류저항은 \(\displaystyle r_{d}=\frac{V_{T}}{I_{D}}=\frac{26\text{mV}}{I_{D}}\)(단위: \(\Omega\))이다. 무릎전압 이하의 전류레벨에서의 교류저항은 \(\displaystyle r_{d}=2\left(\frac{26\text{mV}}{I_{D}}\right)\)(단위: \(\Omega\))로 정확히 근사화된 식이다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

DMM, \(1\text{k}\Omega\), \(1\text{M}\Omega\)저항, 실리콘, 게르마늄 다이오드, 직류전원

2) 실험과정

다이오드 검사

DMM의 다이오드 검사 기능을 사용하여 다이오드의 동작 상태를 파악할 수 있다. DMM을 다이오드에 제대로 연결하면 DMM은 다이오드에 점화 전위를 제공하지만 반대로 연결하면 개방회로를 나타내는 "OL"응답을 보여준다.

실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드에 대해 순방향, 역방향으로 이 검사를 실행하고, 그 결과를 기록한다.

순방향 바이어스 일 때의 다이오드의 특성곡선

(1) 전원 \(E\)를 \(0\text{V}\)로 놓고 아래의 그림대로 회로를 구성한다. 이때 DMM을 이용하여 저항 \(R_{\text{meas}}\)을 측정하고 기록한다.

(2) \(V_{r}\)(\(E\)가 아님!)이 \(0.1\text{V}\)가 되도록 전원전압 \(E\)를 증가시킨다. 이때의 \(V_{D}\)를 측정한 다음 그 값을 기록하고, 식 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{r}}{R_{\text{meas}}}\)의 값도 기록한다.

(3) \(V_{r}=0.2,\,0.3,\,0.4,\,0.5,\,0.6,\,0.7,\,0.8\text{V}\)에 대해서 과정 (2)를 반복한다. 또한 측정된 \(V_{D},\,I_{D}\)에 대하여\((V_{D},\,I_{D})\)를 그래프에 점으로 나타낸다.

(4) 실험 (2)와 (3)을 게르마늄 다이오드에 대해서 실행하고 결과를 기록한다.

역방향 바이어스 일 때의 다이오드의 특성곡선

(1) 역방향 포화전류는 매우 작기 때문에 저항 R양단의 전압을 측정하려면 큰 저항인 \(1\text{M}\Omega\)의 저항이 필요하다. DMM을 이용하여 저항 \(R_{\text{meas}}\)값을 측정하여 기록하고, 아래 그림처럼 회로를 구성한다.

(2) 전압 \(V_{r}\)을 측정하고, 식 \(\displaystyle I_{S}=\frac{V_{r}}{R_{\text{meas}}||R_{m}}\)을 이용하여 역방향 포화전류를 계산한다. 저항 R1의 값이 크기 때문에 DMM의 내부저항 \(R_{m}\)을 포함했다. 계산을 할 때 특별히 \(R_{m}\)값이 정해지면, 정해진 값을 사용하고, 그렇지 않은 경우는 \(R_{m}=10\text{M}\Omega\)을 사용한다.

(3) 실험 (2)를 게르마늄 다이오드에 대해서 실행하고 결과를 기록한다.

(4) 실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드의 정저항(DC 저항)을 다음의 식을 이용하여 계산한다.$$R_{DC}=\frac{V_{D}}{I_{D}}=\frac{V_{D}}{I_{S}}=\frac{E-V_{R}}{I_{S}}$$

정저항(DC 저항)과 동저항(AC 저항)

(1) 순방향 바이어스에서 얻은 자료를 토대로 실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드에 대해 \(I_{D}=0.2,\,1,\,5,\,10\text{mA}\)일 때 대응되는 \(V_{D}\)의 값을 이용하여 \(\displaystyle R_{DC}=\frac{V_{D}}{I_{D}}\)를 구한다.

(2) 식 \(\displaystyle r_{d}=\frac{26\text{mV}}{I_{D}}\)를 이용하여 \(I_{D}=9\text{mA}\)일 때의 동저항을 구한다.

(Pspice를 이용한 다이오드 전류측정)

다음은 Pspice를 이용하여 D1N4148다이오드에 흐르는 전류를 측정한 것이다.

위 회로에서 전압원 V1은 \(0\text{V}\)에서 \(10\text{V}\)까지 \(0.2\text{V}\)의 증가분으로 변화한다. 이때, 다이오드에 흐르는 전류의 그래프는 다음과 같다.

실제로 Pspice로 돌려보면 D1N4148에 걸리는 전압이 \(718.4\text{mV}\)이므로, D1N4148은 실리콘 다이오드이다. 참고로 다이오드에 흐르는 전류는 전원전압이 약 \(282.6\text{V}\)이상일 때 부터 흐르기 시작한다. 

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th editon, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

아날로그 전자회로실험, 정동호, 휴먼싸이언스

http://akademik.bahcesehir.edu.tr/eee2116/documents/expWeek1NEW.pdf

http://itmgoi.in/download/CSE%20&%20IT/EDC%203rd%20sem.pdf

https://www.google.co.kr/imgres?imgurl=x-raw-image%3A%2F%2F%2F392a0f7a98c2d1ad4af5fa183cb75c2e26ba2867376773668a1291dab1de5780&imgrefurl=http%3A%2F%2Fnbdl.cau.ac.kr%2Fadmin%2Fbbs%2Fdown.php%3Fcode%3Dfreeboard%26idx%3D5236%26no%3D1&docid=1Bsy3WSdBXiGIM&tbnid=rdHCmHoPKjk-fM%3A&vet=12ahUKEwjUrbzB8PHeAhVBS7wKHfQZAVg4ZBAzKB4wHnoECAEQHw..i&w=1392&h=608&bih=657&biw=1366&q=%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%98%A4%EB%93%9C%20%ED%8A%B9%EC%84%B1%20%EC%8B%A4%ED%97%98&ved=2ahUKEwjUrbzB8PHeAhVBS7wKHfQZAVg4ZBAzKB4wHnoECAEQHw&iact=mrc&uact=8