B1 · 다이오드

다이오드 I-V: 한 방향으로만 흐르는 밸브

pn 접합에 외부 전압을 걸면 흐름이 어떻게 달라지는가. 전압을 역방향에서 순방향으로 직접 쓸어 보며, 한쪽으로만 폭증하는 비대칭을 본다.

전압을 쓸어 곡선을 따라가라

슬라이더로 다이오드에 걸리는 전압을 바꿔 보라. 작동점이 곡선 위를 움직인다. 역방향에서는 거의 납작하고, 순방향에서는 어느 지점부터 가파르게 솟는다.

걸린 전압 VV = -0.30 V

작동점 전류 I

I ≈ -Is  (≈ 0)

장벽이 더 높아졌다. 미세한 포화전류 -Is 말고는 거의 흐르지 않는다.

역방향 · 차단

외부 전압이 장벽을 민다

A4에서 접합은 스스로 내부 장벽을 세웠다. 여기에 외부 전압을 더한다. p쪽에 양, n쪽에 음을 걸면(순방향) 외부 전압이 내부 장벽을 깎아 낮추고, 반대로 걸면(역방향) 장벽을 더 높인다. 흐름을 정하는 것은 결국 캐리어가 넘어야 할 장벽의 높이다.

순방향, 전류가 지수적으로 솟는다

장벽을 넘는 캐리어 수는 장벽 높이에 지수적으로 매달린다(A1의 볼츠만 인자와 같은 꼴). 그래서 순방향 전압이 장벽을 조금만 낮춰도 전류는 폭발적으로 늘어난다. 실리콘 다이오드에서는 약 0.7 V 부근에서 곡선이 무릎처럼 꺾여 가파르게 솟는다. 이것이 쇼클리식의 exp(V/VT) 항이다.

관찰I = Is (exp(V/VT) - 1)

쇼클리식이 다이오드 전류 전체를 담는다.

고르기VT = ? (≈ 26 mV)

열전압은 kT/q, 상온에서 약 26 mV.

빈칸V << 0 → I ≈ ?

깊은 역방향에서는 지수항이 사라져 -Is만 남는다.

스스로V >> VT → I ≈ ?

순방향에서는 지수항이 압도해 폭증한다.

역방향과 정류

역방향에서는 장벽이 더 높아져 다수 캐리어가 거의 넘지 못하고, 아주 작은 포화전류 -Is만 흐른다. 결국 다이오드는 순방향에 큰 전류, 역방향에 거의 0이라는 한방향 밸브다. 교류를 걸면 양의 반주기만 통과시켜 맥동 직류로 바꾼다. 이것이 정류이고, 모든 전원 어댑터의 첫 단계다.

첫 화면으로 돌아가서

슬라이더를 역방향으로 두었을 때 곡선은 납작했고, 순방향으로 밀자 어느 무릎을 지나 가파르게 솟았다. 같은 소자인데 전압의 방향 하나로 흐름이 완전히 달라진 것이다. 그 비대칭의 뿌리는 A4의 장벽이다. 외부 전압은 장벽을 깎거나 높일 뿐이고, 장벽을 넘는 캐리어 수가 지수적으로 반응하기에 곡선이 한쪽으로만 폭증한다. 이 한방향 밸브가 교류를 직류로 바꾸는 정류의 핵심이다.

다이오드는 pn 접합에 외부 전압을 건 한방향 밸브다. 순방향은 내부 장벽을 낮춰 전류가 지수적으로 폭증하고, 역방향은 장벽을 높여 미세한 포화전류 -Is만 흐른다. 한쪽으로만 흐르는 이 비대칭이 교류를 맥동 직류로 바꾸는 정류다. 쇼클리식 I = Is (exp(V/VT) - 1), 열전압 VT = kT/q.

이어지는 흐름

한방향 밸브를 손에 쥐었다. 다음 유닛에서는 이 밸브로 신호의 모양을 빚는다. 일정 전압을 넘는 부분을 잘라 내는 클리핑과, 파형 전체의 기준선을 옮기는 클램핑이다. 같은 다이오드 한 개의 켜짐과 꺼짐이 신호를 가공하는 도구가 된다.