다이오드

다이오드는 2개의 단자를 갖는 전자 부품으로써, 한쪽에 낮은 저항을 다른쪽에 높은 저항을 둬 전류가 한쪽으로만 흐를 수 있게 하는 물질이다. 진공관 다이오드 또는 열전자(thermionic) 다이오드는 열음극(heated cathode)과 플레이트(plate) 그리고 두 개의 전극(electrodes)으로 구성되어 있으며 전자가 열음극에서 플레이트 방향으로만 흐를 수 있게 되어 있다.

반도체 다이오드는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 다이오드의 형태로서 2개의 전기 단자가 p-n 접합을 포함한 결정질 반도체 소재에 연결되어 있다. 반도체 다이오드는 최초의 반도체 전자 장치로써, 결정질 광물과 금속 간의 접촉면에서 비대칭적인 전기 전도가 발생한다는 것을 1874년 독일의 물리학자인 브라운(K. F. Braun)이 발견하면서 연구가 시작되었다. 오늘날 대부분의 다이오드는 규소로 만들어지며 그 외에 GaAs나 Ge이 사용되기도 한다.

규소 다이오드()

목차

일반적으로 다이오드의 주된 용도는 전류를 한쪽으로만 흐르게 하고 반대 방향으로는 흐르지 못하게 하는 것이다. 따라서 다이오드는 전자의 흐름에 대한 ‘’체크 밸브(check valve)’’라고도 볼 수도 있다. 전류가 한 방향으로만 흐르는 것을 정류(rectification)라고 하며, 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데에 이러한 정류기가 사용된다. 정류기 형태의 다이오드는 라디오 수신기에서 라디오 신호를 변조(modulation)하여 추출하는 작업에 사용될 수 있다.

하지만 다이오드는 비선형 전류-전압 특성 때문에 이처럼 간단한 온-오프(on-off) 역할보다는 좀 더 복잡한 특징을 보일 수도 있다. 반도체 다이오드에서는 특정 임계 전압 또는 컷-인(cut-in) 전압이 정방향인 경우에만 전기 전도가 일어난다. 정방향-바이어스(forward bias) 다이오드에서 전류 변화에 따른 전압의 변화는 매우 작으며, 이는 온도의 함수로 나타낼 수 있음으로, 온도 센서나 기준 전압(voltage reference)으로 사용될 수 있다. 또한, 다이오드에 역방향으로 전류가 흐르게 되면 높은 저항을 갖게 되는데, 만약 역방향 전압이 항복 전압(breakdown voltage)에 도달하게 되면 저항은 급격히 낮아지게 된다.

반도체 다이오드의 전류-전압 특성은 다이오드 제조 과정에서 반도체 물질에 넣는 도핑 물질에 따라 조절할 수 있으며 이러한 기술은 특수 목적의 다이오드를 만드는 데 사용된다. 예를 들어, 이러한 특수 목적 다이오드로는 전압 조절용 다이오드(제너 다이오드, Zener diodes), 고전압 서지(surge)로부터 회로를 보호하기 위한 다이오드(애벌란시 다이오드, avalanche diodes), 라디오나 TV 수신기 전기 조정용 다이오드 (버랙터 다이오드, varactor diodes), 라디오-주파수 진동 발생용 다이오드(터널 다이오드, tunnel diodes), 발광 다이오드(발광 다이오드, light-emitting diodes) 등이 있다. 또한, 터널 다이오드, 건 다이오드, IMPATT 다이오드 등은 음의 저항값을 갖기 때문에 전자레인지나 스위칭 회로(switching circuit) 등에 유용하게 사용될 수 있다.

열전자 다이오드(thermionic diode, 또는 진공관 다이오드)와 고체 다이오드(solid-state diode, 또는 반도체 다이오드)는 1900년대 초, 거의 같은 시기에 각각 라디오 수신 감지기로 개발되었다. 1950년대까지는 진공관 다이오드가 점-접촉(point-contact) 반도체 다이오드보다 더 안정적이었기 때문에 라디오에 주로 사용되었다. 대부분의 수신기에는 진공관 튜브가 설치되어 있었기에 여기에 열전자 다이오드를 쉽게 포함할 수 있었으며, 이와 같은 진공관 정류기(vacuum-tube rectifier)나 가스-충전 정류기(gas-filled rectifier)는 당시 사용 가능한 반도체 다이오드보다 고전압/고전류 정류 작업을 더 잘 처리할 수 있었다.

최초 발명 당시, 다이오드는 정류기로 알려져 있었다. 하지만, 1919년에 4극 진공관(tetraode)이 발명되었을 때 에클스(W. H. Eccles)는 그리스어에서 'two'라는 뜻을 가진 'di'와 'path'라는 뜻을 가진 'ode'를 합쳐 다이오드(diode)라는 단어를 만들어냈다.

1873년, 구드리(F. Guthrie)는 접지된 백색의 뜨거운 금속 구를 검전기(electroscope)에 가까이 가져가면 양전하를 띤 검전기는 방전되지만, 음전하를 띤 검전기는 방전되지 않는다는 것을 관찰하였다. 1880년 에디슨(T. Edison)은 전구에서 가열된 전열 부분과 가열되지 않은 전열 부분 사이에 단향성(unidirectional) 전류가 흐르는 것을 관찰하고 이러한 현상을 DC 전압계에서 적용하는 특허를 받았으며, 이를 에디슨 효과(Edison effect)라고 부른다.

약 20년 후 플레밍(J. A. Fleming)은 에디슨 효과를 라디오 탐지기로 사용할 수 있음을 깨달았다. 이후 플레밍은 1904년 11월 16일, 영국에서 최초로 실질적으로 열전자 다이오드인 플레밍 밸브(Fleming valve)의 특허를 얻었다.

이처럼 진공관이 널리 사용되던 시기에는 밸브 다이오드가 라디오, 텔레비전, 사운드 시스템, 계측기 같은 거의 모든 전자 제품에 사용되었다. 하지만 1940년대 셀레늄 정류기(selenium rectifier) 기술의 탄생과 1960년대 반도체 다이오드의 개발로 인해 진공관 다이오드는 서서히 시장에서 점유율을 잃어갔다. 오늘날에는 과도 전압이 필요한 응용 분야에서 반도체 장치보다 견고한 장점으로 인해 여전히 진공관이 사용되고 있다. 또한 다양한 연주 악기나 오디오 등에도 활용되고 있다.

1874년, 독일의 과학자 브라운은 금속과 광물 사이의 접촉면에서 "한 방향으로 흐르는 전기 전도(unilateral conduction)"를 발견했다. 보스(J. C. Bose)는 1894년에 최초로 결정을 이용하여 라디오 전파를 감지하였으며, 피카드(G. W. Pickard)는 1903년 규소 결정 감지기를 발명하여 이를 실용적인 무선 통신 기기로 발전시켰다. 또한 이 기술은 1906년 11월 20일에 특허로 등록되기도 하였다. 이외에도 많은 과학자가 여러 다른 광물을 감지기로 사용하기 위해 노력하였다.

이러한 반도체의 원리는 당시 정류기를 만든 사람들조차 이해하지 못했으나, 1930년대 물리학의 발전과 함께 점차 그 원리가 밝혀졌다. 또한 1930년대 중반에는 벨 연구소의 연구진이 결정 감지기를 전자파 기술에 응용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 벨 연구소, 웨스턴 일렉트릭, MIT, 퍼듀대학, 그리고 영국의 연구자들은 2차 세계대전 중 레이더에 활용하기 위해 점-접촉 다이오드(또는 결정 다이오드)를 집중적으로 발전시켰고, 2차 세계대전 이후에는 AT&T가 이 기술을 미국 전역 전파 탑에 적용하였다. 1946년에는 실바니아(Sylvania)가 1N-34 결정 다이오드를 판매하기 시작했으며, 1950년대 초에는 접합 다이오드가 발명되었다.

점-접촉 다이오드는 1930년대에 개발되었으며, 현재는 일반적으로 3~30GHz 범위에서 사용된다. 점-접촉 다이오드는 얇은 금속 전선을 사용하며, 반도체 결정과 접촉하는데 비 용접(non-welded) 접촉형과 용접(welded) 접촉형이 있다. 비 용접 접촉형에서는 금속 전선의 한쪽 끝을 뾰족하게 만들어 반도체 결정과 접촉하게 되어 있으며 쇼트키 장벽 원리(Schottky barrier principle)를 이용한다. 점-접촉 다이오드는 일반적으로 접합 다이오드보다 낮은 전기 용량(capacitance), 높은 순방향 저항(forward resistance), 큰 역방향 누전(reverse leakage) 값을 가진다.

점-접촉 다이오드()

p-n 접합 다이오드는 보통 규소로 만들어지지만, 저마늄이나 갈륨-비소가 사용되기도 한다. 첨가해 주는 불순물의 종류에 따라 음전하 운반체(전자)를 갖고 n-형 반도체 특징을 보이는 영역이 생기기도 하며, 양전하 운반체(정공)를 갖고 p-형 반도체 특징을 보이는 영역이 생기기도 한다. 이러한 n-형과 p-형 반도체가 접합되면 처음에는 n-형에서 p-형 쪽으로 전자가 순간적으로 흐르게 되고 그 결과 전하 캐리어가 존재하지 않는 제3영역이 생기게 되는데 이 영역을 결핍 영역(depletion region)이라고 한다.

p-n 접합이라 불리는 두 영역 사이의 경계에서는 다이오드의 작용이 일어난다. 매우 높은 전위차가 n-형과 p-형 반도체 사이에 존재하게 되면, n-형 반도체에서 p-형 반도체 쪽으로 결핍 영역을 지나 전자가 흐르게 한다. 이러한 접합은 전위차가 역방향으로 가해져서 전자가 반대 방향으로 흐르는 것은 방지할 수 있기에 전기 체크 밸브(electrical check valve)라고도 할 수 있다.

보통의 p-n 접합 다이오드는 일반적으로 도핑된 규소나 저마늄으로 만들어진다. 규소 정류 다이오드의 개발 이전에는 구리 산화물이 주로 사용되었고 그 이후에는 셀레늄이 사용되었다. 하지만 구리 산화물이나 셀레늄의 경우 효율이 낮기 때문에 규소 다이오드와 동일한 전류를 발생시키기 위해서는 훨씬 높은 순방향 전압을 필요하다. 따라서, 현재 사용되고 있는 대다수의 다이오드는 p-n 다이오드이다.

갈륨-비소와 같은 띠 간격(band gap)을 갖는 반도체로 구성된 다이오드에서는 음전하 운반체(carrier)가 정공과 재결합할 때 광자를 방출하게 된다. 물질의 종류에 따라 적외선~근 자외선 사이에서 해당하는 색상을 나타낼 수 있다. 처음에는 빨간색과 노란색 LED가 개발되었으며, 이보다 단파장에 해당하는 색상을 갖는 다이오드는 그 후에 개발되었다.

p-n 접합을 사용한 LED 다이오드의 원리 (출처:대한화학회)

일반적인 반도체 레이저는 p-n 접합 사이에 활성층이 삽입된 구조를 가지며, 활성층의 종류에 따라 임계 전류가 달라진다. 레이저 다이오드는 일반적으로 광학 저장 장치나 고속 광통신에 사용된다.

모든 반도체는 광학 전하 운반체(optical charge carrier)를 생성하게 되는데 이는 다이오드 특성에 악영향을 미치기 때문에 피해야 한다. 따라서 대부분의 다이오드는 반도체와 함께 차광 재료를 포함하고 있다. 하지만 광다이오드는 빛을 감지해야 하므로 다이오드는 빛을 통과시키는 물질을 포함하고 있으며 대표적인 것이 PIN 다이오드이다. 이러한 광다이오드는 태양 전지, 측광 기기나 광통신 등에 사용된다.

PIN 다이오드는 중간에 고유 반도체(intrinsic semiconductor)를 갖는 다이오드이며, p-형/고유 반도체 (intrinsic semiconductor)/n-형 반도체로 구성되어 있다. PIN 다이오드는 라디오 주파수 스위치나 감쇠기(attenuator)에 사용될 수 있으며, 대용량 이온화 방사선 검출기나 광검출기에 활용되기도 한다. 또한 중간에 포함된 고유 반도체층이 고전압을 견딜 수 있기에 전력공급 전기장치에 사용되기도 한다.

다이오드의 첫 번째 용도는 진폭 변조(amplitude modulated, AM)된 라디오 방송을 원상으로 복구시키는 것이었다. AM 신호의 진폭은 원래 오디오 신호에 비례하는 라디오 반송파로써 양과 음의 피크가 교대로 나타난다. 다이오드는 AM 라디오 주파수 신호를 정류하여 반송파 중에서 양의 피크만을 남기고, 오디오는 간단한 필터를 사용해 이렇게 정류된 반송파를 추출한 후 증폭 시켜 소리로 변환시킨다.

정류기는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하기 때문에 다이오드를 사용하여 만들어진다. 예를 들어, 자동차용 교류 발전기는 AC를 DC로 정류하는 다이오드를 포함하며 이는 기존에 사용되던 정류자(commutator)보다 훨씬 우수한 성능을 나타낸다. 마찬가지로, 다이오드는 AC를 더 높은 AC 전압으로 변환하기 위해 코크로프트-월턴(Cockcroft-Walton) 전압 배율기(voltage multiplier)에도 사용된다.

1. Gary L. Miessler.; Donald A. Tarr. Inorganic chemistry, 4^th ed.; Pearson Education. Inc.: Upper Saddle River, NJ, 2011.

2. Retrieved on 2019-7-29.