기초전자공학 실험 1실험날짜:조 :조원:1. Title다이오드 회로구성과 특성 파악2. Name금요일 오후 8조 :3. Abstract다이오드의 기본 원리와 순방향 역방향의 특성에 대하여 고찰해보고 이상적인 다이오드의 근사회로를 구성하여 본다. 그리고 다이오드의 Power Consumption을 측정하여보고 제너다이오드의 순방향 역방향의 특성을 알아본다. 마지막으로 다이오드의 순방향 전압강하와 온도에 따른 전류의 변화, 전력소비에 관해서 실험하여 본다.4. Background1) 다이오드란?다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 각 반도체 영역에 금속성 접촉(Metal Contacts)과 리드선이 연결된 소자이다. 반도체 자체만으로는 전기회로를 구성하는데 유용한 특성을 갖지 못하나 PN접합구조로 조합하면 한쪽 방향으로만 전류를 흘릴 수 있고 다른 방향으로는 전류를 차단하는 기능을 한다. 보통 재료로 실리콘이 많지만, 그 외에 게르마늄, 셀렌등이 있다. 다이오드의 용도는 주로 교류전류를 직류전류를 바꾸는 정류기로 쓰이거나, 라디오 고주파 검파용, 스위치의 제어에 쓰인다. 오른쪽 그림이 회로도에서 나타나는 기호이고 왼쪽 그림은 보는 것처럼 P형 쪽이 애노드(anode)이고 n형 쪽이 캐소드(cathode)이고 다이오드에서 화살표의 모양은 전류의 방향을 나타낸다.2) 다이오드의 구성* p형 반도체진성 반도체에 3족의 불순물을 첨가하게 되면 3족 원소의 최외각 전자 3개는 주위의 4족 원소와 공유결합을 위해서는 모자라는 전자 한 개가 더 필요하게 된다. 따라서 필요한 전자의 빈자리가 홀이 되어 3족 원소는 주위의 다른 전자를 적극적으로 끌어들여 홀을 채우고자 하므로 결과적으로 이 홀은 전자의 이동을 유발시키는 양의 전하로 볼 수 있다. 이와 같이 3족 원소는 주위로부터 전자를 받아들이고자 하므로 억셉터(acceptor)라 하며, 억셉터 불순물이 도핑 된 반도체는 양전하를 띈 홀을 생산하므로 p형 반도체라 한다. 이 때 다수캐리어는 홀 소수캐리어는 전자가 된다. 대표적인 3족 원소로는 보론, 칼륨, 인디움 등이 있다.* n형 반도체순수 반도체에 5족 원소를 첨가하면 5족 원소의 최외각 전자 5개 중에서 4개는 주위의 4족 원소들과 공유 결합을 이루지만 남은 한 개의 전자는 공유결합 대상에서 제외된다. 이 경우 5족 원소는 남은 한 개의 전자를 방출해버림으로써 안정을 취하고자 하므로 주위에서 야간의 에너지만 주어져도 전류의 전도에 기여할 수 있는 자유 전자가 하나 생기게 된다. 이 때 5족 원소는 주위에 자유 전자를 공급하므로 도너(donor)라 하며, 도너 불순물이 첨가된 반도체는 음전하를 띄는 자유 전자를 생산하므로 n형 반도체라 한다. 이 때 전자를 다수 캐리어(majority carrier)라 하며 열적으로 생성된 홀은 소수 캐리어(minority carrier)라 한다. 대표적인 원소로는 안티몬(Sb), 비소(As), 인(P) 등이 있다.3) 다이오드의 기본 특성(1) 다이오드의 원리P형 반도체는 전자가 부족한 정공이 존재하며 N형 반도체는 전자가 많이 존재한다. 이런 P형 N형 반도체를 붙이면 P형 속의 정공은 N형쪽으로 이동하며 N형속의 전자는 P형으로 확산에 의하여 흘러 들어간다. 접합을 통하여 정공과 전자가 움직이지만 전류는 흐르지 않는 현상이 발생하는데 이것을 전위장벽(potential barrier)이라 한다. 전위 장벽이 생기는 이유는 N형 반도체 속의 움직이지 못하는 고정전하가 존재하는데 PN접합시 전자는 P형쪽으로 흘러 들어가고, 정공은 N형 쪽으로 흘러 들어가게 된다. 하지만 움직일 수 없는 고정전하는 접합부근에 남아있게 되고 이러한 고정전하가 전자의 통과를 저지하여 결국 전류의 흐름을 방해하는 전위장벽이 되는 것이다.(2) 순방향바이어스(forward-bias)다이오드의 양극(A)이 음극(K)보다 높은 전위를 가지도록 전압을 인가하는 것을 순방향 바이어스(Forward Bias)라 한다. 순방향 바이어스시 다이오드의 양극과 음극 사이의 전위차가 증가하면 점차 전류가 증가하는데, Si 다이오드의 경우 대략 다이오드 양단 전압이 0.7V에 이를 때 까지는 순방향 전류는 조금밖에 증가하지 않지만 0.7V정도가 걸리게 되면 전류가 급속히 증가하게 된다. 아래 표로 그래프의 특성을 표현 했다.* 순방향 바이어스의 V-I 특성 곡선순 방향 전류()값은 Y축을 따라 증가하고 PN접합 순 방향 전압()값은 X축을 따라 오른쪽으로 증가한다. 특히 실리콘 PN접합의 경우 순 방향 전류는 전압 양단 순 방향 전압이 약 0.7V가 될 때 까지는 조금밖에 증가하지 않는다. 이점을 지나게 되면 순 방향 전압은 거의 0.7V에 머물고는 급속히 증가한다.(3) 역방향 바이어스(reverse-bias)순방향바이어스와 반대로 p형 부분을 전지의 -단자에, n형 부분을 -단자에 접속하면 -전하를 갖는 전자는 전지의 +전극에 이끌리고 또한, +전하를 갖는 정공은 -전극에 이끌려서 접한면에서 서로 멀어지게 되고, 즉 전위장벽이 높아져서 접합면을 통과하는 캐리어의 이동이 없고 따라서 pn접합은 전류가 흐르지 않게 된다. 이와 같은 직류 전압의 인가 방법을 역방향 바이어스라 부른다. 다시 말하면 이 경우는 순방향 바이어스와는 달리 다이오드를 흐르는 전류를 거의 흐르지 않게 된다. 따라서 다이오드 양단에 걸리는 역방향 전압은 전원전압과 같게 된다.역방향 바이어스 전압의 크기가 증가하여 항복 전압(Breakdown Voltage)에 도달하게 되면, 전자눈사태(Avalanche) 현상에 의해 다이오드에 급격한 전류가 흐르게 되어 소자가 파괴된다. 그러므로 일반 (정류)다이오드의 경우에는 순방향 및 역방향 바이어스 영역에서만 다이오드를 동작시켜야 한다.* 역방향 바이어스의 V-I 특성 곡선PN접합 양단에 역 방향 바이어스를 공급하면 접합을 통해 극히 적은 역전류()만이 흐른다. PN접합이 0V일 때는 역전류는 흐르지 않는다. 역바이어스 전압을 점차 증가시키면 매우 작은 역전류가 흐르고 PN접합 양단의 전압도 증가한다. PN접합 양단의 역전압이 항복전압에 도달할 때까지 바이어스전압을 증가시키면 역전류가 급속히 증가하기 시작한다. 바이어스 전압을 계속 증가시키면 전류는 계속해서 증가한다.개념적으로 항복은 대부분의 PN접합 소자의 비정상적인 동작이라 할 수 있다.* 복합적 다이오드다이오드의 전압-전류 특성에 가장 근접한 모델로서 작은 값의 순방향 동저항(Bulk 저항), 큰 값의 역방향 저항 그리고 전위 장벽(Barrier 전압) 0.7V를 포함하여 구성된다. 다이오드가 순방향으로 바이어스 되었을 때 다이오드가 전위 장벽 0.7V와 작은 값의 순방향 동저항이 직렬로 연결된 닫혀 진 스위치로서 대체된다.다이오드가 역방향으로 바이어스 되었을 때는 다이오드가 큰 값의 역방향 저항과 병렬로 연결된 열려진 스위치로 대체되며, 전위장벽 0.7V는 역방향 바이어스에 영향을 미치지 않기 때문에 등가모델에 포함 되지 않는다.4) 다이오드의 종류(1) 정류다이오드다이오드의 대표적인 특성은 순방향일때는 전류가 흐르고 역방향일때는 전류가 흐르지 않는 것이며 이를 정류작용이라고 한다. 정류(rectification)란 양방향 전류를 단방향 전류로 변환하는 것을 말한다. 이런 특징을 이용해 교류를 직류를 변환하여 사용한다.(2) 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier Diode )다이오드는 전자와 정공을 이용하므로 속도가 느리고 전압도 높다. 이러한 단점을 보안하기 위해 개발된 다이오드가 쇼트키 다이오드다. 보통의 다이오드는 PN 접합으로 구성되는것에 비해 쇼트키다이오드는 반도체 + 금속의 구조를 가진다. 실리콘의 표면에 금속을 진공 속에서 증착하여 제작하여 실리콘 표면에 자연적으로 생긴 전위장벽이 정류작용을 하므로 속도가 빨라서 고속동작에 유리하며 전위장벽도 PN접합 다이오드가 약 0.7V인데 비해 쇼트키 다이오드는 0.3~0.5V로 저전압에서도 사용이 가능하여. 실제로 저전압, 고전류회로에서 쇼트키다이오드를 많이 사용한다. 쇼트키 다이오드는 금속과 반도체를 접합시킴으로써 만들어지며, 소수캐리어가 존재하지 않으므로 다수 캐리어에 의해 동작하고 역방향 누설전류도 존재하지 않는다. 순방향으로 바이어스 될 때 n형 반도체 영역에 있는 높은 에너지를 가지는 자유전자는 금속영역으로 주입되고 여기서 자유전자들의 과잉에너지를 바이어스 변화에 대해 매우 빠른 속도로 반응할 수 있어 주로 고주파 스위칭 응용에 사용된다
■ Divergence in 3 Coodinates by Matlab% 예시 과제 : F(x,y)=(x^3,y^3) 일 때 divergence를 취해서 직교좌표계에서 구현해본다.>> [x,y] = meshgrid(-1:0.1:1,-1:0.1:1); // 먼저 x,y의 범위를 잡아준다.>> u = x.^3; v = y.^3; ;실제 사용할 x,y 함수>> div = divergence(x,y,u,v); // div명령어를 이용해 divergence를 구현한다.>> surf(x,y,u,v); // x,y를 도식한다.>> figure(2),quiver(x,y,u,v); // figure(2)라는 파일명으로 출력, 벡터기준잡음>> hold on, contour(x,y,div,12,'r'),hold off // 그래프를 덧씌우는 명령어, contour은 함수의 값이 일치하는 위치들을 찾아서 등고선처럼 표시해 준다. hold off 함으로써 그래프에 덧씌우는 것을 멈춘다.< 매트랩 구현 결과 _ 2차원 >■ 2차원으로 표현된 소스를 3차원으로 바꾸려고 여러 책과 인터넷을 참고하여 소스 코드를 만들어 보았으나 ‘차원이 맞지 않다거나’ ‘입력이 적절치 않다’는 에러만 보이고 결국 실패하고 말았다. 간단하게 생각해서 3차원이므로 모든 부분에 z좌표와 함수를 추가해주었고 hold on 명령을 순차적으로 이용해 구현하려 했으나 계속 에러가 났다. ‘.’은 스칼라양 이라길래 ‘.’을 제외하고나 벡터값을 달리 주어서 시도해보았지만 결국 에러의 원인을 찾을 수가 없었다.x=-1:0.1:1;y=-1:0.1:1;z=-1:0.1:1;[x,y,z]=meshgrid(x,y,z);u=x.^1;v=y.^1;w=z.^1;div = divergence(x,y,z,u,v,w);surf(x,y,u)hold onsurf(x,y,v)hold onsurf(x,y,w)hold on, contour(x,y,z,div,12,'r'),hold off< 매트랩 에러 화면 _ 3차원 구현 >■ Gradient in 3 Coodinates by Matlab>> v = -2:0.2:2;>> [x,y] = meshgrid(v);>> z = x .* exp(-x.^2 - y.^2);>> [px,py] = gradient(z,.2,.2);>> contour(v,v,z), hold on, quiver(v,v,px,py), hold off■ Curl in 3 Coodinates by Matlab