다이오드로 할 수 있는 것들

다이오드는 오늘날 전자공학 커리큘럼에서 가장 소외된 부품일지도 모른다. 저항, 커패시터, 인덕터의 메커니즘에 대해서는 수많은 페이지가 할애되어 왔다. 이 블로그에서도 이미 기본 방정식, 복소 임피던스 모델, R-C 필터 거동 등을 다뤘다. 반도체 쪽으로 오면, 다이오드보다 더 유용한 형제인 트랜지스터가 스포트라이트를 독차지한다.

다이오드는 선형 회로가 받는 수학적 엄밀함도, 트랜지스터가 받는 레드카펫 대접도 받지 못한다. 그나마 다뤄질 때는 건 다이오드나 터널 다이오드처럼 이국적인 발명품 맥락에서인데, 둘 다 실생활에서 마주칠 일은 거의 없다.

오늘은 “보통” 다이오드에 작은 헌사를 바쳐 보자.

전압, 전류, 임피던스 같은 개념이 가물가물하다면 먼저 이 글을 복습하길 권한다.

이전에 쓴 반도체 물리 글에서, 순수한 실리콘은 전기 전도체로서 성능이 좋지 않다고 언급했다. 오래 살아남는 이동성 전하 운반자가 부족하기 때문이다. 가끔 가열에 의한 가전자대 전자의 짧은 수명 들뜸으로 높은 에너지 상태로 ‘튀어’ 올라가 전도가 일어나기도 하지만, 이 전자들은 곧 낮은 에너지 상태로 돌아가 버려 멀리 이동하지 못하므로 효과는 사실상 미미하다.

도펀트를 첨가하면 전도성이 향상된다. 어떤 도펀트는 낮은 에너지로 되돌아갈 빈자리가 없는 높은 에너지 상태의 장수 전자를 제공한다. 이를 n형 반도체라 한다. 또 다른 첨가물은 쉽게 접근 가능한 가전자대의 빈자리(“정공”)를 만든다. 이런 p형 물질에서는 낮은 에너지의 전자들이 높은 에너지로 ‘두드려’ 올려지지 않아도 원자에서 원자로 미끄러지듯 이동할 수 있다.

n형 물질을 p형 반도체와 접촉시키면, n측의 높은 에너지 전자들이 무작위로 p측으로 확산되어 풍부한 낮은 에너지 정공으로 바로 떨어진다. 이로 인해 접합부에 내부 전기장이 생긴 열역학적 평형이 만들어진다. n측에는 양전하, p측에는 음전하가 형성된다:

p-n 접합의 간단한 그림.

이 전기장은 공핍층에 들어온 이동성 전자들을 n측으로 되밀어낸다. 그 결과 경계부에는 얇고 전도성이 낮은 공핍층이 형성된다.

p-n 접합의 전기장은 외부 전압으로 상쇄할 수 있다. p측을 n측보다 충분히 더 양(+)으로 만들면 전류가 흐르기 시작한다. 실리콘의 경우 순방향 전압이 약 600 mV에 이르면 접합이 눈에 띄게 도전성이 높아지며, 그 이전에도 수 µA 대의 전류는 이미 흐르고 있다.

일반적인 다이오드는 바로 이 p-n 접합이다. 이 부품은 조악한 전압 제어 게이트로 생각할 수 있다. 전압이 특정 임계값 아래에 있을 때는 매우 높은 저항(보통 100 kΩ 이상)을 보이므로 사실상 전류가 흐르지 않는다. 임계값을 넘기면 다이오드는 가해진 “초과” 전압에 대체로 비례하는 전류를 허용하는데, 이는 재료 자체의 저항으로 인한 오믹 거동의 결과다:

정바이어스 1N4148 다이오드의 전압-전류 곡선. 글쓴이 제작.

여기까지는 정바이어스 상태를 다뤘다. 다이오드를 역바이어스—즉 p측이 n측보다 더 음(-)으로—하면 부품은 관념상 비도전성으로 남는다. 음… 어느 정도까지만.

역바이어스에서 가능한 상황 중 하나는, 역전압이 충분히 높아지면 공핍층의 드문 전하 운반자가 전기장에 의해 충분히 가속되어 다른 전자들을 전도대로 치어 올리는 경우다. 이로 인해 눈사태 같은 효과가 발생한다. 이렇게 운동에너지로 생성된 전하 운반자가 풍부해지면 접합은 예상과 달리 다시 도전성이 커진다.

대부분의 다이오드는 이러한 역방향 항복 전압이 의도된 동작 범위를 충분히 벗어나도록 설계된다. 한편 _제너 다이오드_라는 특수 부품군은 더 낮고 정밀하게 보정된 전압에서 역방향 항복이 일어나도록 설계된다. 어느 쪽이든 임계값을 넘기면 역바이어스된 다이오드도 잘 도통한다:

역바이어스 1N4148 다이오드. 글쓴이 제작.

기본 이론을 정리했으니, 이제 다이오드의 일반적인 용도를 살펴보자.

가장 단순한 응용은 회로 보호다. 왼쪽의 구성부터 보자:

여러 다이오드 기반 회로 보호 방식.

첫 번째 회로에서는 제너형 다이오드를 보호하려는 라인과 그라운드 사이에 역바이어스로 배치한다. 정상 조건에서는 다이오드가 비도통 상태를 유지하지만, 입력 전압이 안전 한계를 넘어서면 전기적 항복—즉 임시적으로 도통—이 일어난다. 사실상 다이오드는 크로우바처럼 에너지를 소산하여 다운스트림의 민감한 부품을 보호한다. 이런 용도의 다이오드는 흔히 과도 전압 서프레서(TVS)로 판매되며, 정전기에 대한 반도체 보호에 특히 중요하다. 또 다른 응용은 모터 등 유도성 부하에 공급하던 전류를 갑자기 끊을 때 발생하는 전압 스파이크 억제다.

단일 다이오드는 입력 신호의 극성이 정해져 있을 때—즉 한 레일이 항상 다른 레일보다 더 양(+)일 때—에만 보호에 사용할 수 있다. 교번 극성의 AC 신호에 과전압 보호를 제공하려면, 대신 위 오른쪽에 보인 두 개 다이오드 구성을 사용한다. 이 구성은 _양방향 TVS_라는 단일 패키지 형태로도 판매된다.

이후자의 회로에서는, 가해진 전압의 극성과 상관없이 “크로우바” 경로가 항상 정바이어스 다이오드와 역바이어스 다이오드의 직렬 연결로 이루어진다. 따라서 양(+)과 음(-)의 도통 임계값이 동일해지며, 다이오드의 역바이어스 항복 전압에 약 600 mV가 더해진 값과 같다.

또 다른 보호 기법은 아래 패널과 같다. 역방향 항복 전압이 높은 일반 정바이어스 다이오드를 전원과 직렬로 넣어, 예컨대 배터리를 거꾸로 끼웠을 때처럼 전원 극성이 잘못 연결되어도 민감한 부품이 손상되지 않게 한다. 대가로 p-n 접합에서의 필연적인 전압 강하와, 전류가 높을 때의 발열이 따른다. 그래서 특히 저전압 회로에서는 보통 트랜지스터 기반 해법이 선호된다.

앞서 말했듯 대부분의 다이오드는 매우 높은 역바이어스 전압(종종 -100 V를 넘김)을 견디도록 설계된다. 그와 달리 _제너 다이오드_라는 특수 제품군은 그보다 낮은 전압에서 도통이 시작되도록 만들어진다.

정바이어스 시에는 이런 다이오드도 일반 다이오드와 동일하게 동작하여 약 600 mV에서 도전성이 눈에 띄게 커진다. 역바이어스 시에는 제조사가 정한 낮은 전압에서 도통을 시작하며, 흔한 저전압 옵션은 1.8 V에서 30 V 범위다.

앞서 본 V-I 곡선들이 말해 주듯, 역방향 항복이 시작되면 가해진 전압의 작은 변화가 비교적 큰 전류 변화로 이어질 수 있다. 반대로도 볼 수 있다. 다이오드에 흐르는 전류가 어떤 방식으로든 제한된다면, 그 전류의 변동은 단자에 걸리는 전압에는 비교적 작은 영향을 미친다.

이 관찰로부터 다이오드를 전압 기준으로 쓰는 아이디어가 나온다. 비조절 전원—예컨대 배터리—을 가져다가, 가장 단순한 변형에서는 저항 하나로 다이오드에 흐르는 전류를 대략 제한한다. 원하는 전압에 따라 하나 이상의 정바이어스 다이오드, 제너 다이오드, 또는 그 조합을 사용할 수 있다.

간단한 다이오드 기반 전압 기준.

옴의 법칙에 따르면, 저항이 허용하는 전류는 공급 전압에 따라 선형으로 변한다(I = V/R). 그러나 이러한 전류 변동은 다이오드 전압에는 훨씬 덜 영향을 미친다. 아래는 1N4733 다이오드와 100 Ω 저항으로 구성한 회로의 실험 곡선이다:

1N4733 다이오드로 구성한 전압 기준의 거동. 글쓴이 제작.

출력 전압의 스윙은 입력 신호 변동의 5% 이하다. 1 V에 대해 45 mV 수준. 그다지 인상적이지 않게 들릴 수 있지만, 이 회로는 계단식으로 연결할 수 있다. 즉, 첫 번째 저항-다이오드 전압 기준의 출력을 두 번째 전압 기준의 전원으로 쓰는 것이다. 효과는 누적된다. 5%의 5%는 0.25%다.

계단식 전압 기준.

물론 첫 번째 다이오드의 제너 전압은 두 번째 것보다 높아야 한다. 또한 계단식 구성이 제대로 동작하려면, 두 번째 단계가 흡수하는 전류가 의도한 저항-다이오드 경로로 흐르는 전류보다 훨씬 작아야 한다. 이를 보장하는 한 방법은 R1 ≪ R2로 고르는 것이다. 또 다른 해법은 단계 사이에 트랜지스터 회로를 넣어 1단의 출력을 2단이 쓸 수 있도록 전압 팔로어로 분리하는 것이다. 이런 전압 팔로어 회로는 여기에서 다뤘다.

요즘은 정밀 응용에는 온도 보상을 갖춘 더 복잡한 트랜지스터 기반 회로가 선호된다. 그럼에도 제너 다이오드는 급할 때 쓸 수 있는 실용적 대안이다.

다음 회로를 보자:

간단한 정류기.

이 회로는 _반파 정류기_라 한다. 분석은 아래 출력 다리 B를 모든 전압의 기준점으로 잡고, 입력 AC 파형의 양(+) 반주기와 음(-) 반주기를 따로 평가하면 가장 쉽다:

반파 정류기의 단순화 분석(다이오드 전압 강하 무시).

사인파의 양의 반주기 동안—공급 상단 단자가 더 양(+)일 때—다이오드는 처음에 정바이어스된다. 소스 임피던스가 낮다고 가정하면, 이는 커패시터가 입력 신호의 피크 진폭에서 다이오드 전압 강하만큼을 뺀 전압까지 충전되도록 허용한다.

신호 극성이 반전되어—상단 단자가 더 음(-)이 되면—다이오드는 역바이어스되어 도통하지 않으므로, 커패시터는 전하를 유지한다. 아래는 그 과정을 이산 시간으로 시뮬레이션한 것이다. 출력 단자에 소박한 저항 부하를 추가해 매 양의 피크 사이에 커패시터가 약간 방전되도록 했다:

반파 정류기 시뮬레이션. 글쓴이 제작.

부하 저항을 회로의 상수로 포함시키고, 그 값이 캐리어 파의 진폭 변조를 따라갈 만큼 커패시터가 충분히 빨리 방전되도록 고르면, _엔벌로프 팔로어_라는 회로가 된다. 이 회로는 AM 라디오에서 캐리어 신호로부터 대략적인 변조 파형을 추출하는 간단한 방법이다:

엔벌로프 팔로어 시뮬레이션. 글쓴이 제작.

같은 원리는 오디오 신호의 대략적인 라우드니스를 측정하는 회로나, 더 일반적으로 복합 파형의 느리게 변하는 성분을 추려내는 데에도 쓸 수 있다.

반파 정류기의 단점은 커패시터가 사인파의 양의 반주기에 의해서만 충전된다는 점이다. 부하에 전달되는 전력을 극대화하려는 목적이라면 비효율적이다. 이 결함은 아래와 같은 _전파 정류기_로 해결할 수 있다:

전파 정류기.

이번에도 출력 B를 기준점으로 놓고 보면 분석이 가장 간단하다:

전파 정류기의 단순화 분석(다이오드 전압 강하 무시).

양의 반주기 동안에는 D1과 D2가 처음에 정바이어스되어 커패시터가 AC 피크 전압(다이오드 두 개의 전압 강하 합을 뺀 값)까지 충전된다. 음의 반주기에는 D3와 D4가 정바이어스되어 출력 B를 상단 단자에 연결한다. 동시에 현재 전압이 더 높은 하단 단자는 점 A에 연결된다. 이로써 커패시터는 이전과 같은 극성으로 계속 충전될 수 있다.

아래는 그 과정을 시뮬레이션한 것이다:

전파 정류기의 거동. 글쓴이 제작.

앞 절의 정류기 회로들은 다이오드를 전압 제어 스위치로 사용한다. 같은 원리를 이용한 또 다른 회로가 _배전압기(전압 두배기)_다.

배전압기는 여러 변형이 있지만, 특히 깔끔한 설계 하나를 아래에 보였다. 이 회로는 영점 중심 입력 파형의 피크 진폭의 2배에서 일반적인 다이오드 전압 강하를 뺀 DC 전압을 출력한다. 이는 앞서 본 정류기들이 피크 진폭 근방의 DC 전압만 만들던 것과 대조적이다:

배전압기의 분석(다이오드 전압 강하 무시).

이번에는 두 커패시터 사이의 중점을 전압 측정 기준점으로 쓰자. AC 신호의 양의 반주기(왼쪽 패널) 동안, 상단 다이오드(D1)가 도통하여 윗 커패시터가 충전될 수 있다. 이로써 출력 단자 A는 중점에 대해 양(+)의 전압이 된다.

다음으로 음의 반주기(오른쪽)를 보자. 이때는 상단 다이오드가 항상 역바이어스되어 도통하지 않으므로 C1은 전하를 유지한다. 동시에 하단 다이오드 D2는 도통 가능하여 C2를 충전하고, 결과적으로 출력 단자 B가 중점에 대해 음(-)의 전압이 된다. 요컨대 입력 파형의 양의 피크 전압은 C1에, 음의 최대치는 C2에 저장된다. B와 A 사이의 총 전압은 V peak· 2(역시 다이오드 전압 강하를 뺀 값)다.

이처럼 스위치된 커패시터로 전압을 곱하는 방법은 오늘날에도 쓰이며, 현대 회로에서는 다이오드 대신 디지털로 제어되는 트랜지스터를 쓰는 경우가 많다. 이렇게 하면 전압 강하가 없고 AC 전원도 불필요하다. 이러한 회로에 관심이 있다면 여기에 별도 글이 있다.

대부분의 경우, 0 V를 중심으로 교번하는 파형은 다루기 불편하다. 특히 단일 전원으로 동작하면서도 음의 전원 레일 아래로 내려가는 신호를 구분, 증폭, 생성하려면 더 어렵다.

여기서 약간 뇌를 비트는 대안이 등장한다. _클램퍼(DC 복원기)_라 불리는 회로다. AC 파형을 받아 음의 피크가 거의 0 V가 되도록 전체를 ‘옮겨’ 주는데, 신호 진폭에는 유의미한 영향을 주지 않는다:

클램퍼 회로.

당장은 선택적 저항은 무시하자. 입력 사인파의 첫 번째 양의 반주기(좌상단)부터 시작하자:

클램퍼 회로의 분석(다이오드 전압 강하 무시).

처음에 커패시터는 충전되어 있지 않다(V cap = 0 V). 또한 다이오드 경로로는 전류가 흐르지 않으므로 충전이 불가능하다. 부연하자면: 커패시터에 에너지가 저장되려면, 양쪽 판에 전하가 실려 들어가고 빠져나오는 운동이 대칭적으로 일어나야 한다. 그래야 한쪽 판은 점점 양(+)으로, 다른 쪽은 점점 음(-)으로 되는 전기장이 서로 상당 부분 상쇄되어, 비교적 작은 전압으로도 유의미한 전하 이동이 가능해진다.

커패시터의 한쪽이 떠 있으면, 이 소자는 충·방전될 수 없다. 대신 이전의 전하 상태가 단자 전압으로 지속될 뿐이다. 예를 들어 1 V로 충전된 커패시터의 한 쪽을 10 V 전원에 연결하면, 다른 쪽은 그라운드 기준 11 V로 읽힌다. -5 V 전원에 연결하면 -4 V가 된다. 다른 전원에 배터리를 직렬로 놓는 것과 다르지 않다. 우리 회로에서는 초기에 V cap = 0 V이므로, 양의 반주기에는 커패시터가 아무 것도 더하지 못하고 출력 다리 A의 전압은 입력 파형을 그대로 따라간다.

다음 음의 반주기에는, 점 A의 전압이 약 -600 mV에 이르면 다이오드가 도통하기 시작한다(우상단). 이로써 점 A의 전압이 클램핑되는 동시에, 커패시터가 충전되어 오른쪽 단자에 비해 왼쪽 단자가 음(-)전압이 되도록 만든다. _V cap_을 왼쪽에서 오른쪽으로 측정하면 결과 전압은 양(+)이며 공급 신호의 피크 진폭(다이오드 전압 강하를 뺀 값)과 같다.

이후의 양의 주기에서는 다이오드가 다시 역바이어스되어 커패시터는 이전 전하 상태를 유지해야 한다. 즉 _V cap_은 변하지 않고, 점 A의 전압은 그만큼 입력 파형에서 오프셋된다. 입력 파형이 -_V peak_에서 +_V peak_까지 움직인다면, 출력은 이제 대략 -600 mV에서 V peak· 2 – 600 mV 사이를 오간다.

선택적 부하 저항의 역할은 신호 진폭이 서서히 변할 때 회로가 그 변화에 얼마나 대응할 수 있을지를 조절하는 것이다. 이 저항이 없으면, 이 회로는 이론적으로는 입력 파형에서 한 사이클 동안 관측된 가장 큰 스윙이 정한 전압 오프셋에 영원히 ‘묶여’ 있게 된다. 저항이 있으면 커패시터가 시간이 지나며 방전되어, 파형의 엔벌로프가 변하면 오프셋도 바뀔 수 있다.

실제로는 다이오드의 누설 전류와 커패시터의 자체 방전만으로도 저항 없이 충분히 그럴듯하게 동작하는 경우가 많다. 이 구성을 가지고 놀아 보고 싶다면, 10–100 µF 커패시터를 쓰고 저항은 생략하거나 큰 값(1 MΩ)을 권한다.

OR 게이트는 두 개 이상의 입력 중 어느 하나라도 양(+)일 때 양의 출력을 내는 회로다. AND 게이트는 반대로, 모든 입력이 양(+)일 때만 양의 신호를 낸다. 많은 독자들이 컴퓨팅에서의 활용으로 익숙하겠지만, 더 단순하게 설명해 보자. OR 게이트의 실용 예는 문이나 창 센서 중 하나라도 트리거되면 경보를 울리는 회로일 수 있다. AND 게이트의 예는 모든 주차 구획이 찼을 때 “만차” 표시를 켜는 시스템일 수 있다.

이 논리를 다이오드로 구현하는 간단한 방법이 있다:

다이오드로 구성한 논리 유사 게이트.

OR 회로(왼쪽)의 경우, 양의 전원 레일이 어떤 입력 단자에든 연결되면 해당 다이오드가 정바이어스되어 저항을 통해 전류가 흐른다. 정바이어스 다이오드의 임피던스는 10 kΩ 저항보다 훨씬 낮으므로 출력 전압은 상단 전원 레일에 매우 가깝게 솟아오른다.

AND 회로(오른쪽)는 사실상 반대로 동작한다. 입력 중 하나라도 그라운드에 연결되면 출력 전압을 거의 0 V로 끌어내린다. 그래서 두 입력이 모두 높거나(혹은 부동이거나) 할 때만 출력이 양(+)이 된다.

그림에 “게이트”를 따옴표로 표시한 이유는, 이 회로들이 더 복잡한 디지털 논리를 구현하도록 손쉽게 합성(cascade)되지는 않기 때문이다. 각각의 게이트는 입력 단자를 통해 전류를 요구하지만, 출력 단자가 반드시 그러한 전류를 다음 단계에 공급해 줄 수 있는 것은 아니다. 특히 문제가 되는 상황이 아래에 있다:

다이오드 기반 게이트를 계단식으로 연결해 보려다 생기는 문제.

그림과 같은 입력 신호에서는 네 개의 다이오드 중 세 개가 역바이어스되어 있고, 유일한 전류 경로는 상단 전원 레일에서 저항-다이오드-저항의 직렬 경로를 지나 그라운드로 이어지는 길뿐이다. 이 회로는 사실상 저항 분압기가 된다. 이진 출력을 제공하는 대신 애매한 중간 전압을 만들어 낸다.

다시 말해, 이 해법은 단발 논리에는 쓸 수 있지만, 진짜 컴퓨터를 만들려면 출력에서 상류 게이트의 입력 요구 전류보다 더 큰 전류를 공급할 수 있는 게이트가 필요하다.

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