제너다이오드 특성 - jeneodaiodeu teugseong

전기전자 튜토리얼

제너 다이오드(Zener diode)에 대해 알아보기!!

안녕하세요? 메카솔루션입니다.

오늘은 제너 다이오드(Zener diode)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

본론으로 들어가기에 앞서 다이오드에 대한 설명부터 간략하게 하고 시작하도록 하겠습니다~

[ 다이오드란? ]

전류가 흐를때 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 소자를 말합니다. 즉 전류가 에노드(+극)에서 캐소드(-극)으로만 전류가 이동하도록 만들어주는 부품입니다.

자세한 내용을 원하신다면 아래 링크를 참조해주세요.

http://blog.naver.com/roboholic84/220647982816

그러면 지금부터 본격적으로 제너 다이오드에 대해 알아보도록 하겠습니다.

[ 제너 다이오드란? ]

제너 다이오드는 다이오드와 마찬가지로 PN접합 반도체로 일반 다이도의 PN접합 반도체보다 더 많은 불순물이 들어가 있습니다. PN반도체 안에 들어있는 불순물의 함량에 따라서 항복전압이 높아지고 낮아지게 됩니다. 이와 같은 방법으로 제너 다이오드는 불순물 조절을 통하여 설정된 항복전압 만큼의 전류 양을 특별히 반대로 흐를수 있도록 해주는 역활을 합니다. 이것이 제너 다이오드와 일반 다이오드의 큰 차이점이라 볼수 있습니다.!

조금 쉽게 이야기하면 일반 다이오드는 전류가 반대로 흐를 경우 이를 막는 역활을 한다고 위에서 설명을 했습니다. 하지만 제너 다이오드는 정방향에서는 일반 다이오드와 동일한 특성으로 동작을 하지만 역방향 전압에서는 일반 다이오드보다 낮은 전압(항복전압)에서 역방향 전류가 흐르도록 반들어진 소자이다.

그렇다면!!!! 왜!! 제너 다이오드를 사용하는가?

다이오드도 반도체이지만 소자인지라 높은 전압을 가해주면 망가져서 망가진 쪽으로 누설전류가 흘러 들어가게 되고, 전압을 조금만 높여도 많은 전류가 흘러 들어가는 문제가 발생합니다. 우리는 소자가 손상되는 시점의 전압을 항복전압이라 하고, 제너 다이오드는 그 항복전압을 역으로 이용하여 회로를 안정시켜주는 역할을 합니다.

오른쪽 사진과 같이 제너 다이오드 반대 방향으로 전류가 흐를 경우 전압에 따라 그래프는 왼쪽 그림 붉게 표시된 부분과 같이 제너 다이오드가 동작을 하게 되고 이러한 경우를 역방향 바이어스라 합니다. 이 경우에도 처음에는 일반 다이오드의 역방향 특성과 유사하게 역방향 전압이 인가되어도 전류가 거의 흐르지 않다가 항복전압 이상의 역방향 전압이 인가되면 제너 다이오드는 항복영역에서 동작하게 되어 갑작스러운 역방향 전류가 흐르게 되며, 이 때 제너 다이오드 양단에는 항시 일정한 전압이 나타나게 됩니다.

긴글 읽어 주셔서 감사합니다. 무디.... 도움이 되었으면 좋겠습니다.

다이오드 시험 5 - 제너 다이오드의 이해 및 측정

제너다이오드의 이해 및 측정

 제너 다이오드는 순방향 특성은 일반 다이오드와 같으나, 매우 낮고 일정한 항복전압 특성을 갖고 있는 다이오드로 이러한 제너전압 또는 항복 전압을 이용하는 다이오드라고 하여 제너 다이오드라고 불리며, 제너 전압이 넓은 전류 범위에서 안정된 전압 특성을 보여 간단히 정전압을 만들기 때문에 정전압 다이오드로도 불린다.

  제너 다이오드는 일반 정류 다이오드와 동일한 PN 접합 구조를 가지고 있으나, 일반 정류 다이오드에 비해 매우 낮고 일정한 항복 전압 특성을 갖고 있는 특징이 있다. 이 항복 전압은 불순물 도핑 레벨에 의해 조절가능하다. 고농도의 도핑이 이루어진 접합일 때,제너 항복(Zener Breakdown)현상이 일어나며, 5.6V 이하에서 발생된다. 저농도의 도핑이 이루어진 접합에서는 애벌란시 항복(Avalanche Breakdown) 현상이 일어나며, 5.6V 이상에서 발생된다.
또한 일반 정류다이오드의 경우, 역방향 전압 이상의 전압이 인가되어 도통이 되면 그 때 발생되는 열로 인해 다이오드가 거의 파괴가 되지만, 제너 다이오드의 경우에는 제너 전압 이상의 전압이 인가되도 일정한 전압이 나오기 때문에 전압을 안정화하기 위한 정전압을 구성하는데 많이 쓰이고, 또한 과전압으로부터 보호하기 위한 보호소자로도 쓰인다.

제너항복과 애벌란시 항복 
(Zener Breakdown & Avalanche Breakdown)

[제너&에벌런치 Breakdown V-I 특성 곡선]

제너 항복(Zener Breakdown)
PN 접합의 도핑 농도를 높이게 되면, 에너지 대역은 낮은 전압에서 서로 엇갈리게 된다. 그래서 P형쪽 가전대역과 N형쪽 전도대역의 빈 상태를 분리시키고 있는 전위장벽의 폭이 좁다면 전자의 터널링이 발생한다. 전자의 터널링은 강한 전계가 공핍영역에 생성된다. 그래서 낮은 역전압 상태에서도 강한 전계에 의해 큰 역방향 전류가 흐르게 되는 현상이 발생하는데 이것을 제너 효과 또는 제너 항복(Zener Breakdown) 현상이라고 한다.

애벌란시 항복(Avalanche Breakdown)
저농도의 PN 접합에서 발생하는 것으로, PN 접합 다이오드에 지속적인 역전압이 인가되면, 역방향 포화전류에 의해 생성된 전자는 공핍역역의 전계에 의해 가속된다. 가속된 전자는 높은 에너지를 가지고 원자와 충돌하게 되는데, 원자와 공유결합되어 있던 가전가가 이탈하게 되어 전자와 정공의 쌍이 만들어진다.
이 때 만들어진 전자를 자유전자라고 하고, 자유 전자는 원자핵의 영향으로부터 벗어나 전계에 의해 이동할 수 있으므로 전류를 운반하는 캐리어(Carrier)라고도 한다.

  원자로부터 이탈되어 새롭게 생성된 전자는 앞서 일어났던 가속되어 연쇄적으로 원자와 충돌하게 되고, 새로운 전자는 기하급수적으로 늘어난다. 늘어난 전자는 공핍영역을 통과하는 전도 전자로 움직이게 되어 전류가 급격히 흐르게 된다. 이런 현상을 애벌란시 항복(Avalanche Breakdown) 현상이라고 한다.

제너 다이오드(Zener Diode) 시험
지금까지 다른 다이오드들의 시험을 할 때도 디지털 멀티미터와 V-I 커브 트레이서를 이용한 시험을 모두 하였다. 그 때는 순방향 전압 값과 역방향 전압은 도통이 안되는 것만 디지털 멀티미터로 확인해 봄으로써, 정상유무를 판단했었다. 하지만 제너다이오드는 대부분 역방향 특성을 사용하기 때문에 제너전압을 V-I 특성 곡선을 측정해야지 제너 다이오드의 정상여부를 정확히 판단할 수 있다.

  시험하는 제너 다이오드 부품명은 1N5231으로 Lead 타입의 부품이다. 이 부품을 디지털 멀티미터와  V-I 특성 커브 트레이서로 시험한다.

디지털 멀티미터를 이용한 제너 다이오드 시험
순방향 전압 측정
① 디지털 멀티미터의 가운데 레버를 다이오드를 가리키도록 돌린다.
② 1N5231 애노드(+) 핀과 디지털 멀티미터의 다이오드 (+)단자와 클립으로 연결한다.
③ 1N5231 캐소드(-) 핀과 디지털 멀티미터의 COM (-) 단자와 클립으로 연결한다.
④ 순방향 전압값이 0.5 ~ 0.9V 사이의 값이 측정되는지 확인한다.

  역방향 바이어스 측정
① 디지털 멀티미터의 가운데 레버를 다이오드를 가리키도록 돌린다.
② 1N5231 애노드(+) 핀과 디지털 멀티미터의 COM (-)단자와 클립으로 연결한다.
③ 1N5231 캐소드(-) 핀과 디지털 멀티미터의 다이오드 (+)단자와 클립으로 연결한다.
④ 역방향 바이어스 값이 0L로 표시되는지 확인한다.

시험 결과
제너 다이오드의 순방향 전압값은 정류 다이오드와 동일하므로, 0.5 ~ 0.9V 사이의 값이 측정되어야지 정상이다. 위의 1N5231 부품의 순방향 전압값은 0.7187V로 측정되었으므로, 정상임을 알 수 있다. 또한 역방향 바이어스에서 1N5231의 제너 전압은 5.1V이다. 하지만 디지털 멀티미터의 다이오드 시험 모드 경우 5.1V 까지 측정할 수 없기 때문에 더 낮은 전압값에서 쇼트 고장 여부만을 확인할 뿐이다. 그래서 0L로 측정된다면 정확한 제너전압을 측정할 수는 없지만 쇼트에 의한 고장이 아닌 것을 확인할 수 있다.

  V-I 특성 커브 트레이서를 이용한 제너 다이오드 시험
V-I 특성 커브 트레이서를 통해 제너 다이오드의 V-I 특성 곡선을 확인하는 방법은 아주 중요한 시험이다.

  정류 다이오드, 쇼트키 다이오드 등의 다른 다이오드들은 순방향 바이어스나 역방향 바이어스에서 전류를 차단하는 기능을 사용하기 때문에 역방향 전압 값을 측정하기 보다는 차단하는 기능을 위주로 측정한다. 그래서 멀티미터나 V-I 특성 곡선을 측정할 때도 역방향 바이어스에서는 전류가 차단되는지를 확인했었다.

  하지만 제너 다이오드의 경우, 대부분 역방향 바이어스에서 발생되는 제너 항복 현상에 의한 정전압을 이용하여, 정전압을 만들거나, 과전압으로부터 보호하는 용도로 사용되기 때문에, 제너 항복 전압 값이 매우 중요하다. 그래서V-I 특성 커브로 제너 전압을 측정하는게 매우 중요하다.

  또한, 일반 정류 다이오드나 쇼트키 다이오드의 역방향 전압을 커브 트레이서로 측정하게 되면, 지속적인 큰 역방향 전압을 인가하여 역방향에서 도통될 때, 전류가 흐르면서 생기는 열에 의해 부품이 파괴될 확률이 매우 높다. 하지만제너 다이오드의 경우, 제너 전압을 측정하여도 제너 전압을 사용하도록 부품이 만들어졌기 때문에, 부품이 파괴되거나, 고장나지 않아 안전하게 시험이 가능하다.

  그래서 ABI 사 보드마스터 장비에 포함된 AICT 모듈의 V-I Tester 기능을 통해 제너 다이오드의 V-I 특성 곡선을 시험한다.

제너 다이오드 V-I 특성 곡선 측정

① 보드마스터 전원을 인가하고, SYSTEM8 Ultimate 소프트웨어를 실행한다.
② 소프트웨어를 시작할 때 실행되는 Diagnostic(자가진단)의 결과가 Pass이면 확인을 클릭한다.
③ 화면 왼쪽의 Navigation 창에 V-I Tester를 클릭한다.
④ AICT 모듈의 전면의 채널 1 V-I 커넥터(노랑)은 제너 다이오드의 애노드(+)와 클립 케이블로 연결하고,
채널 1의 접지 커넥터(검정)은 제너 다이오드의 캐소드(-)와 클립 케이블로 연결한다.
⑤ Setting에서 Voltage를 20Vpk-pk로 변경하고, Impedance는 100R로 변경한다.
⑥ Start 버튼을 클릭하여 V-I 특성 곡선을 측정한다.
⑦ V-I 특성 곡선이 정상적으로 측정되면, Store 버튼을 클릭하여, V-I 특성 곡선을 저장한다.

[제너 다이오드 1N5231 V-I 특성 곡선 측정화면]

시험 결과
 제너 다이오드 1N5231은 제너 전압이 5.1V인 부품이다. 그래서 전압을 20Vpk-pk로 변경하여, ±10V의 V-I 특성곡선을 측정할 수 있도록 설정을 변경하였다. 위의 V-I 특성 곡선과 같이, 순방향 전압 값은 적은 전류값부터 100mA까지도 일정하게 약 1V가 측정되므로, 순방향에서 정상적임을 측정할 수 있다.

  역방향에서는 약 5.1V까지 거의 전류가 흐르지 않다가 약 5.1V에서 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 그래서역방향에서도 정상임을 알 수 있다. 위와 같은 V-I 특성곡선이 제너 다이오드의 특성 곡선이고 부품마다 제너 전압의 차이가 있을 뿐이므로 저 특성곡선을 모양을 기억할 필요가 있다.

또한 쇼트형 고장일때는 세로로 일직선의 V-I 특성곡선이 측정되고, 오픈형 고장일때는 가로로 일직선의 V-I 특성곡선이 측정되며, 역방향 특성이 Leak 되는 부품이라면, 제너 전압이하에서 도통되는 V-I 특성곡선이 측정될 것이다.