쇼트키 다이오드 사용 이유 - syoteuki daiodeu sayong iyu

* 이미지 출처 : 한국기술교육대학교 온라인평생교육원 전자회로 기본 I

쇼트키 다이오드 사용 이유 - syoteuki daiodeu sayong iyu

 쇼트키 다이오드는 고속 스위칭에 사용되는 다이오드다. 쇼트키 다이오드는 PN 접합 다이오드와 다르게 금속과 실리콘 반도체의 접합으로 되어 있다. 이로 인해 작은 접합 전위가 금속 양극과 N형 실리콘 사이에서 발생을 한다. 

 이런 구조로 인해 접합 전위가 약 0.15V에서 0.3V 정도이다. 또한 역방향 누설 전류가 일반 PN 다이오드에 비해 많다. 

쇼트키 다이오드 사용 이유 - syoteuki daiodeu sayong iyu

 쇼트키 다이오드는 낮은 턴온 전압과 낮은 접합 커패시턴스, 빠른 복구 시간의 특징을 가진다.

 낮은 턴온 전압은 실리콘 쇼트키의 경우 0.3V 정도로 일반적인 PN에 비해 절반 정도로 이 특성으로 인해 순방향 턴 온시 저항 손실이 감소해 전력 감소가 작고 발열도 작다.

  낮은 접합 커패시턴스는 구조상 접합면이 작아 커패시턴스가 낮다. 이로 인해 RF 회로 같은 곳에서는 커패시턴스 값의 영향으로 임피던스가 움직이게 되는 회로에 다이오드를 사용해야 할 경우 이를 최소화 할 수 있다.

 빠른 복구 시간 또한 PN 접합이 아닌 금속 접합으로 전자를 교환하거나 재교환 하지 않기 때문에 스위칭 속도가 빠르다. 이로서 고속으로 스위칭해야 하는 회로나 RF와 같이 높은 주파수범위에서의 다이오드 사용에 적합하다. 

 이래 저래 말을 했지만 쇼트키 또한 결국 다이오드와 똑같은 동작을 하지만 빠른 속도를 가지는 특징이 주 이므로 고속 동작을 하는 회로에 사용이 된다. 그러나 구조상 누설이 심하고 약하기 때문에 소신호 또는 저전압에서 사용이 가능하다.                                   


쇼트키 다이오드(Schottky Barrier Diode)에 대해 알아봅시다.

일반적으로 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 구성하게 되는데,

쇼트키 다이오드(쇼트키 배리어 다이오드 : Schottky Barrier Diode)는 N형 반도체와 금속을 접합하여,

금속 부분이 반도체와 같은 기능을 하도록 만들어진 다이오드랍니다.

쇼트키 다이오드 심벌

N형 반도체와 금속이 접합 되면 접합면에 위치한 N형 반도체의 전자는 금속으로 이동하게 되고,

N형 반도체 접합면에는 양이온 벽이 형성되어 전계가 발생된답니다.

이 전계는 전자가 금속으로 이동하는 것을 억제하게 되는 내부전위(전위장벽)를 형성되게 된답니다.

P-N 접합의 공핍영역은 양이온 층과 음 이온층으로 이루어지지만, N형 반도체와 금속 접합의 공핍영역은 N형 반도체에

형성되는 양이온 층만으로 이루어지게 된답니다.
이러한 이유는 금속에는 정공이 없기 때문에, 음 이온층이 형성되지 않는답니다.
따라서 전위장벽이 일반 P-N 접합 다이오드보다 낮아지게 된답니다.

쇼트기 다이오드 구조와 공핍영역


순방향과 역방향 전압을 인가했을 때, 각각의 동작특성은 다음과 같답니다.

금속에 (+), N형 반도체에 (-)의 순방향 전압을 인가하면, (-) 전압에 의해 N형 반도체의 양이온 영역이 감소하게 되고,

금속에는 정공이 없으므로, (+) 전압을 걸어줘도 금속은 아무런 영향을 주지 않는 답니다.
 

쇼트키 다이오드 사용 이유 - syoteuki daiodeu sayong iyu

순방향 바이어스에 의한 양이온 영역 감소

금속에 (-), N형 반도체에 (+)의 역방향 전압을 인가하면, (+) 전압에 의해 N형 반도체의 양이온 영역만이 증가하게 된답니다.


역방향 바이어스에 의한 양이온 영역 증가


결국, 쇼트키 다이오드는 정공이 존재하지 않으므로, 생성된 전위장벽은 낮은 인가전압에서도 동작이 가능하게 되고,

접합부에 소수 캐리어 축적이 거의 없이 다수캐리어에 의해 전류가 흐르기 때문에 역회복시간(순방향으로 부터 역방향으로

전압이 변할 때 어느 정도 시간이 흘러 전류가 차단되는 현상)이 빠르게 이루어진답니다.

따라서, 쇼트키 다이오드는 일반적인 P-N 접합 다이오드에 비해,  순방향 전압(VF)특성이 낮으며, 스위칭 특성이 빠르다는

장점을 가지게 된답니다.

쇼트키 다이오드와 P-N 접합다이오드의 특성곡선 비교


하지만, 이러한 쇼트키 다이오드는 순방향으로 대전류가 흐르기 때문에 열이 발생하게 되고, 열에 의해 누설전류가

증가하게 되는데, 열평형 상태를 유지하지 못하게 되면 누설전류가 증가하여 파괴된답니다.


[왕초보]

다이오드(Rectifier Diode)

vs 스위칭다이오드(Switching Diode)

vs 쇼트키다이오드(Schottky Diode)

셋 다 같은 역활을 하는 다이오드이며, 약간 특성이 다르다고 보면 됩니다..

기본 특성은 순방향으로 길을 열어준다고 보면 되요.

일반적으로

정류다이오드(Rectifier Diode) /

패스트 스위칭 다이오드(Fast Switching Diode) /

쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier Diode = SBD)라 합니다.

회로상의 기호는 다음과 같이 표시 되죠.

[그림1]

셋 다 여러가지 용도로 사용되지만

일반적인 디지털 회로 관점에서 설명해 봅니다.

다이오드는 주로 신호 분리 및 전원 분리용으로 사용됩니다.

[그림2]

위 그림과 같이 Control Signal이 2개 이상일 경우 주로 사용됩니다.

Signal1이 High일때 Signal2와는 영향을 주거나 받지 않고 OUTPUT을 HIGH로

Signal2가 High일때 Signal1와는 영향을 주거나 받지 않고 OUTPUT을 HIGH로

로 만들죠.

여기서 Diode를 소전류용로 쓰면 신호용이고(1A 미만)

대전류(전원용)으로 쓰면 전원용이 되겠습니다.(1A 이상)

Singal이 배터리같은 전원소스일때 대전류용을 쓴다고 보면 됩니다.

디지털 회로에서 제일 잘 쓰이는 경우는 아래와 같아요.

[그림3]

[그림3]과 같이 쉬운 예로 리튬이온 배터리의 4.2V를 입력으로 받아

3.3V로 출력하는 전원IC(LDO)가 있다고 합시다.

LDO의 ON/OFF 핀에는 Signa1과 Signal2가 다이오드를 통해 연결 됩니다.

회로에서 각 Signal은 서로 영향을 주지 않고

독립적으로 LDO를 켤 수 있게 됩니다.

물론 Signal1과 Signal2 모두 0이 되어야 LDO는 OFF가 되겠죠.

일반적으로 Signal1은 장치의 ON/OFF 버튼과

Signal2는 충전기의 USB 전원 등과 연결됩니다.

그럼, 버튼을 누르거나 충전기를 연결하게 되면

장치가 구동하게 되겠죠?^^

기초학습은 여기까지 하고

기서 정류 다이오드와 스위칭/쇼트키 다이오드의 차이점

을 살펴봅니다.

큰 차이점은 이름에서 보이다시피 속도입니다.

다음의 실험을 통해 차이점을 간단히 살펴보겠습니다.

쇼트키 다이오드 사용 이유 - syoteuki daiodeu sayong iyu

[그림4]

[그림4]와 같은 회로가 있다고 하죠.

1N4002 는 일반 다이오드(정류다이오드/Rectifier Diode)

1N4148 은 스위칭 다이오드(Fast Switch Diode)

1N5817 은 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) 입니다.

VG1인 전원에 3V, 1KHz의 구형파(Square wave)를 입력하면 어떻게 될까요?

[그림5]

결과를 볼까요?

[그림6]

[그림6]에서 처럼 순서대로

VM1-정류다이오드 : 구형파를 잘 출력하고 있습니다.

하지만 아래쪽에 약간 튀어나온 부분이 보이죠?

스위칭 다이오드에 비해 회복시간이 짧아 그렇습니다.

VM2-스위칭다이오드 : 역시 구형파를 잘 출력하고 있습니다.

VM3-쇼트키다이오드 : 구형파를 잘 출력하고 있지만 앞선 두 파형보다 전압이 높습니다. 거의 원래 모양의 구형파를 출력하고 있습니다.

일반다이오드는 문턱전압이 0.6~0.7V 이지만 쇼트키 다이오드는 문턱전압 0.4~0.5V 이기 때문에 나타나는 현상입니다.

(문턱전압이 일정하진 않아요. 사용하는 전류가 높아지면 문턱전압도 다소 올라간답니다.)

[그림7]

이번엔 VG1인 전원에 3V, 100KHz의 구형파(Square wave)를 입력하면 어떻게 될까요?

[그림8]

[그림8]에서 처럼 순서대로

VM1-정류다이오드 : 전압이 변화하는 구간에서 거의 회복을 하지 못하고 있습니다.

스위칭 다이오드에 비해 회복시간이 짧아 그렇습니다.

VM2-스위칭다이오드 : 구형파를 잘 출력하고 있는나,

전압이 변화하는 구간에서 밑으로 튀는 부분이 있네요.

(실험에 사용한 다이오드는 1N4148인데 100KHz 신호에서는 더 빠른 다이오드를 사용해야 함을 알수 있습니다.)

VM3-쇼트키다이오드 : 구형파를 잘 출력하고 있으며, 거의 원래 모양의 구형파를 출력하고 있습니다.

결론적으로

실험에서 알수 있듯이 

스위칭/쇼트기 다이오드를 사용하는 이유는 

빠른 신호를 처리할 경우 

일반 다이오드로는 스위칭 타임을 따라가기가 힘들어 

회복 시간이 짧은 

스위칭/쇼트키 다이오드를 사용하면 됩니다.