[반도체소자] 다이오드의 전압강하 1부

 

 

다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 통과시킨다는 사실만 알면 되는.... 만만한 녀석이 아니다.

반도체의 전압강하(voltage drop)는 아주 특별하다.

반도체의 그 특별한 전압강하는 다이오드에 대표성이 있다.

 

#사람들에게 가장 친숙한 다이오드 LED ~우주속에서 빛나는 별을 보는것 같습니다.

LED는 분야를 막론하고 지시용(#Power on 표시 등등...)으로 꼭 사용하는 소자이기 때문에

회로하는 사람이라면 반드시 정복해야 할 대상입니다.

LED는 너무나 보기 흔하지만, 보기보다? 만만치 않은 대상입니다.

우선 반도체 얘기를 조금만 해 보겠습니다. 보통 사람들은 컴퓨터의 램이나, CPU 같은 부품만 반도체로 여기는것 같습니다.

너무나 당연한 얘기겠지만, "나는 가수다" 도 있지만, "다이오드는 반도체다." 라고 강조하고 싶습니다.

반도체의 전압강하는 아주 특별하거든요. 예, 다이오드의 전압강하는 특별합니다.

 

중학교때 반도체는 전기가 통하기도 하고 안통하기도 한다고 배웠습니다.

거짓말 한방울만 더 보태서 공식과 수식이 1만개 정도 나오는 어려운 전공서적에도 중학교 교과서와 똑같은 문장이 나옵니다.

그런 정의는 좋은데, 뭔가 아쉽습니다. 뭐가 아쉽냐면요....

반도체의 실질적인 작용을 관찰해 보면, 책에 나오는 그런 정의와는 상당히 거리감이 있습니다.

반도체에 대해서 긴 얘기를 하고싶은 생각은 전혀 없습니다. 오디오 위한 공부라면, 반도체에 대한 너무 깊은 내용은

그냥 바이패스? 하라고 주장하는 사람이 바로 접니다. 당연히 저도 깊은 내용은 모릅니다.

그러나 아주 기초적인 수준에서의 반도체 원론 공부는 왠만하면 도전해 보는 것이 좋다고 생각합니다.

그래야만, 바이어스 전압이 무엇인지 손에 잡히는 개념으로 만들수 있습니다.

그때 그때 보이는 상황만을 설명하는 표면적인(쓰레기같은) 표현들은 정말 그때 뿐이기 때문입니다.

반도체의 기초는 나중에 트랜지스터에 가서 진행해 보겠습니다. 우선은 진도좀 나가 보겠습니다.

 

 

전통적인 아날로그 오디오에서는 반도체라 할만한 것이 다이오드와 트랜지스터 외는 뭐 특별한게 없습니다.

OP-Amp와 정전압 IC레귤레이터도 있다고요? 당연히 그 레귤레이터와 오피 몸속에는 트랜지스터와 다이오드가

내장되어 있어니까 따로 언급할 필요성 조차 없습니다.

그럼 오디오 하는 사람 입장에서는 반도체에 대해서 어떻게 개념을 잡아야 하는지 잠깐만 언급하겠습니다.

전기가 반만 통한다는 이상한 늬앙스의 애매모호한 소리 보다는....

반도체란 전기적인 제어를 통해서 그 반도체의 저항값을 콘트럴할 수 있다.

이런 개념이 반도체를 대하는 훨씬더 명료하고, 실질적인 감각이라고 생각합니다.

아주 오래전에 발행된 책에 보면, 디바이스를 수동능자와 능동소자로 구분하는 내용이 나옵니다.

수동소자는 콘덴서, 코일, 저항 같은 것을 지칭하며,

능동소자는 다이오드, 트랜지스터, IC칩 같은 반도체를 지칭하는 것입니다.

반도체가 능동소자로 분류되는건 전기적인 제어를 통해서 능동적인 저항값을 구현할 수 있기 때문일 것입니다.

수동소자와 능동소자라는 용어도 기억해 두겠습니다.

제가 앞으로 자주 사용할 용어입니다. 잡설이 길었네요. 본론으로 가보겠습니다.

 

다이오드를 설명하는 모든책에서 반드시 제일 처음 나오는 용어가 있습니다.

순방향 바이어스(forward)니, 역방향 바이어스(reverse biased)니 하면서....

초장부터 정말 지독하게 난해한 설명을 첫대면하게 됩니다.

아무리 오디오를 좋아하고 자발적인 공부라고 하더라도 이러니 딱 공부하기 싫어집니다.ㅎㅎ

도대체 인간이 사용하는 언어인지, 프로토스 언어인지 구분이 안갑니다.ㅎㅎ

 

제 블로그 포스터에서 바이어스 전압에 대해서 몇번 짤막하게 설명을 했습니다.

그렇다고, 이전의 그런 간단한 설명만으로 순방향 바이어스와 역방향 바이어스가 손에 잡히는 개념으로 다가온다면

오히려 더 이상한 현상입니다.

만약 손에 잡히는 개념으로 다가온다면, 내가 너무 천재가 아닌가? 하고 고민해 보아야 하는 증상입니다.ㅎㅎ

당연히 순방향 바이어스 같은 용어는 어색하고, 난해하게 느껴져야 정성적인 첫반응입니다.

그러니까 그런 난해한 용어에 대해서 너무 집착할 필요도 없습니다. 바이어스 전압이 손에 잡히고, 오디오에서

실질적인 바이어스 전압의 작용을 머리속으로 현실과 이론을 일치시킬 수 있다면,

이미 오디오 회로에 대해서 다 알고있는 상태입니다.

 

그러니까 우리는 바이어싱이 도대체 무엇인지? 를 알아가고 있는 과정 속에 있다는 얘기입니다.

콘덴서를 알면 알수록 바이어싱이 뭔지를 한걸음식 다가서는 것이고,

트랜지스터에 대해서 알면 알수록 역시 바이어싱이 무엇인지를 깨닫음을 얻는 과정입니다.

단 한번의 학습으로 바이어싱을 마스터할 수는 없는 일입니다. 바이어싱이 곧 오디오 회로라고 해도 과언이 아닌 것입니다.

아주 쉽게 얘기하면, 바이어싱은 회로를 한참 공부한 뒤에야 손에 잡히는 개념이지,

억지쓴다고 빨리 파악되는 개념이 절대 아닙니다.

바이어싱을 손에 잡히는 개념으로 만들기 위해서는 여러가지 생각의 도구가 필요합니다.

아직은 그런 도구들이 터무니없이 부족합니다. 포기하지 않고 천천히 나아가다보면 시간이 해결해줄 것입니다.

 

아직은 바이어스 전압에 대해서 실질적인 개념은 전혀 없을 것입니다.

과거 [PA와 오디오]편 포스팅에서 바이어스란 가상의 접지이면서도 현실이다고 표현했습니다.

바이어스에 대해서 간단하게 한가지만 보겠습니다. 아래는 1V의 바이어스 전압을 가한 주파수 파형입니다.

앞으로 지겹도록 생각해볼 문제이므로 조금 일찍 친숙해 보겠습니다.

 

 

 

그래프에서 임의로 붉은색 화살표를 그렸습니다. 문제를 하나 내겠습니다.

그래프의 화살표는 무엇의 흐름을 나타낸 것일까요?' 문제치고는 문제가 너무 막연합니다.ㅎㅎ

네 답은, 전류의 흐름을 나타낸 화살표입니다. 높은 전위에서 낮은 전위로 전류가 흐른다는

정말 기초전기 지식은 잘 알고 있습니다.

초보자 입장에서, 위 그래프의 파형이 만들어내는 전류는 [양 방향성]을 가진다는

사실을 생각해 내는 것이 쉬운 발상은 아닙니다.

그런 발상이 가능하다면, 이미 상당한 수준입니다.

전기적인 성장? 전망이 밝은 상태입니다.ㅎㅎ

 

바로 이전편 포스팅에서 양 방향을 가지는 AC를 한쪽 방향을 뺏어버리는 브리지 정류를 다루었습니다.

위의 그래프도 방향성만 따질때는 DC라고 주장할 수 있을 것입니다. 아무개가 다음처럼 말할 수 있을 것입니다.

"전압의 변화는 전부 급격하지만, 파형의 어디 한군데의 전압도, OV이하로 내려가는 곳이 없고,

 한쪽방향만 가진 전류를 DC라고 부른다면, 위 그래프의 전류는 DC라고 말할 수 있다."

그러나! 택도없는 아무개의 지 주장입니다. 

아무개의 주장은 전부 개 풀뜰어 먹는 소리입니다. 바이어스가 뭐가 뭔지 전혀 모르기 때문에 이런 주장이 가능한 것입니다.

회로상에서는 괜히 AC와 DC의 단순한 구분 조차도 만만하지 않다고 말하는 것이 아닙니다.

꼭 초보만이 아니라, 회로를 제법 공부한 사람도 마찬가지 입니다.

실제의 전류흐름을 머리속으로 똑같이 현실 그대로 그리기 위해서는 상당히 깊은 이해가 필요합니다.

그러니 그냥 대충 수식과 이론적인 만족으로 넘어가다가 나중에 다시 벽에 부딪치게 됩니다.

지금부터 하는.... 위 그래프 해석에 대한 얘기는 극심하게 중요한 내용이므로 특히 집중 부탁드립니다.

[바로 아래 문장으로 바이어스의 기준이 되는 1V의 입장에서 전류의 흐름을 파악해 보겠습니다.]

1V보다 높은 전위의 주파수 파형(상단 반파)에서는 전류를 [받는 입장]입니다.

1V보다 낮은 전위의 주파수 파형(하단 반파)에 대해서는 전류를 [보내는 입장]입니다.

-따라서, 위 그래프는 바이어스 전압을 기준으로 양 방향성의 전류를 가집니다.

 

 

위 그래프의 바이어스 전압 1V는 전류를 받는 입장이기도 하고, 동시에 전류를 보내주는 입장이 되기도 합니다.

당연히 위 그래프는 1V의 전위를 기준으로 전류의 방향성은 이쪽에서 한방치고, 저쪽에서 한방 치는 양방향성을 가지고 있습니다. 바로 앞편에서 알아본 정류가 되기전의 가정에 공급되는 AC와 동일한 양방향성을 가지고 있습니다.

그러니까 바이어스 전압을 기준으로 전류의 방향성(전류를 보내는 방향과 받는 방향)을 구분하는게

이상한 행동이 아닌 것입니다. 다이오드에서 순방향 바이어스니, 역방향 바이어스 같은 용어는

지금 위 그래프에서 알아본 전류의 방향성 구분이랑 근본적으로 똑같은 개념입니다.

 

그리고 반도체라는 것은 원래부터 바이어스 전압을 전제로 작동하게금 설계돼 있습니다,

그런 이유로 반도체 소자에는 바이어스라는 용어를 무지하게 자주 사용하는 것입니다.

괜히 여러분을 골탕먹이기 위해 새디스트같은 전자공학자들이 프로토스 언어같은 용어를 사용하는 것은 아닙니다.ㅎㅎ

그럼 반도체의 전압강하는 아주 특별하다고 했는데, 도대체 뭐가 특별한지 아래 그림을 보겠습니다.

 

스피커유닛은 대표적인 수동소자인.... 좀 학문적으로 얘기하면 그냥 코일(인덕터)입니다.

왠지 이상하게 익숙한 그림 입니다. 예전에 출력문제에 출제한 그림입니다.

위 그림의 스피커선에 32V의 전압을 가해보겠습니다. 각각의 유닛에 인가되는 전압은 분압비에 의해서

순서대로 4V : 8V : 16V : 4V 입니다. 그럼 다시 전압을 가해 보겠습니다. 이번엔 16V를 전압을 가해 보겠습니다.

당연히 각각의 분압 비율은 2V : 4V : 8V : 2V 가 됩니다.

따라서 수동소자의 전압강하는 저항수치의 상대적인 작용에 의해서 형성되는 분압비의 세계입니다.

명확한 표현으로는 [수동소자의 전압강하는 비율의 세계입니다.]

 

그럼 반도체를 보겠습니다. 회로는 자연과학인 만큼 그래프의 해석은 인문과학보다는 훨씬 중요합니다.

백마리 말보다는 그래프의 해석이 과학에서는 정말 중요합니다.

자연과학에서의 그래프는 본질이자 원리고, 글로 표현하는 문장은 그저 표면적인 표현일 뿐입니다. 그

래프의 해석은 무엇보다 우선해서 x축과 y축을 대충 대하지 말고, 명확하고 확실하게 파악하는 것이 중요합니다.

다이오드의 전압강하를 표현한 그래프입니다. x축은 전압, y축은 전류 입니다.

위 그래프에서 수동소자와 능동소자의 전압강하가 어떻게 다른지 해석이 잘 된다면 좋겠지요?

눈치 빠르신 분들은 아마 이렇게 해석이 가능할 것입니다.

[수동소자의 전압강하는 상대적인 비율의 세계라면, 능동소자의 전압강하는 절대값의 세계구나!]

절대값의 세계라는.... 도대체 무슨 소리일까요?

무슨 소리인지 알 수는 없지만, 반도체 업계에서 정의 하는 바이어스 전압을 한번 보겠습니다.

(#자세한 얘기는 트랜지스터편에서 진행하겠습니다. 일단은 그러니 하고 넘어가 보겠습니다.)

 

반도체 업계에서 말하는 바이어스 전압의 정의:

PN접합 반도체에 전류가 통과할 수 있도록 하기 위해서는 고유전위장벽(built-in potential barier)을 낮추어야 한다.

고유전위장벽을 낮추어 주기 위해서 외부에서 가하는 전압을 바이어스 전압 이라고 한다. 

아직은 도대체 무슨 말인지 도저히 이해가 안됩니다. 회로 연재편은 갑자기 많이 어려워진다고 얘기했습니다.

초보수준의 내용 아닙니다. 정말 초보수준이라면, 이런한 글을 올릴 필요성조차 없습니다.

블로그 내용을 보고 도움을 많이 받아다고 하는 사람은 아마추어 보다는 전자업계에 현역으로 종사하는

프로페셔널인 분들이 훨씬 더 많습니다. 기초적인 내용을 다루지만, 상당한 수준을 지향하는 것입니다.

그러니까 회로연재편을 너무 기초적인 내용처럼 보인다고 무시하시면, 섭섭합니다.ㅎㅎ

각설하고, 고유전위장벽 이라는 것을 문학적인 표현으로 잠깐만 다루어 보겠습니다.

#특이한 경주 톨게이트~ 이곳을 통과 하고싶거든 돈을 내시요.ㅋㅋ 반도체는 돈 대신에 전압을 통과 요금으로 징수한다.

당연히 반도체를 통과한 전류는 통과요금만큼의 전압을 상실한다.

 

고유전위장벽이란 반도체에 내장되어있는 톨게이트 같은 곳입니다.

 PN접합 반도체란 지금 당장은 그냥 반도체의 대명사로 보시면 됩니다. 바이어스 전압를 설명하는 문장중에 이런게 있죠.

실제로 0V가 아닌; 임의로 높은 전위를 0V의 기준으로 삼는 것을 바이어스 전압을 가한다고 표현한다.

조금더 쉽게 문학적인 표현을 한다면, 실제로 0V가 아닌 전위를 0V인 것 처럼 느끼게 편견을 주입하는 것입니다.

그래서 일상에서 사용하는 바이어스 원래의 뜻은 [편견]입니다.

당하는 입장에서는 속고있다는 사실을 모름므로 편견이고, 가해자 입장에서는 속이는 사기를 치는 것입니다.ㅎㅎ

회로에서는 사기를 칠려면 처음부터 끝까지 확실하게 속여야 합니다.

그게 훌륭한 엔지니어의 설계입니다. 어설프게 사기를 치다간 죽도 밥도 안됩니다.ㅋㅋ

 

반도체는 임의로 높은 전위를 0V의 기준으로 삼습니다. 그 임의의 높은 전위가 무었이냐고요?

 예 고유전위장벽을 통과하기 위해서 요금을 징수한 전압이 임의의 높은 0V의 기준인 것입니다.

따라서 지금 당장은 모든게 이해가 안된다고 해도 다음처럼 생각은 가져야 하겠습니다.

고유전위장벽에서 받는 요금은 수동소자처럼 상대성 지배를 받지 않고, 아주 일정하기 때문에

반도체의 전압강하는 아주 특별한 것입니다.

반도체 업계에서 말하는 바이어스 전압이랑 일반 오디오 회로에서 사용하는

바이어스 전압이랑은 근본적인 의미가 똑같다.

#캐소드의 약자는 C가 아니고, K 이다. 아무래도 C는 콘덴서의 약어로 너무 많이 표기되기 때문에 K로 밀린듯 한다.

다리가 긴쪽이 애노드 이다. 다리 길이가 같은 경우에는 다리 굵기가 굵은쪽이 캐소드이다. 2OmA는 적정허용 전류량이다.

 전압과 전류는 심하게만 말고, 적당한 오차는 상관없다. 3V이상의 역방향 바이어스를 가하면 LED는 망가진다.

(#항복전압:breakdown voltage) 문장을 외울것이 아니고, 필요할때 찾아보면 그만이다.

 다만 그래프는 확실하게 이해하고 넘어가는게 진짜 원리에 접근하는 길이다.

LED는 색상마다 다 다르지만, 순방향 바이어스는 고유전위장벽에서 약 2V의 요금을 징수합니다.

일반 실리콘 다이오드는 약 0.7V의 요금을 징수합니다. 반도체는 가만 앉아서 금방 부자 되겠습니다.ㅎㅎ

위 그래프 순방향 바이어스쪽에 실리콘 다이오드라고 가정한다면, 약 0.7V 부근에서 전류 통과량이

급격하게 증가하는 현상을 나타낸 것입니다. 그래프에서는 고유전위장벽이라고 아무런 표시도 없습니다.

그러나? 그래프에서 눈에는 보이지 않는 고유전위장벽을 읽을 수 있어야 하겠습니다.

 

역방향 바이어스는 나중에 제너 다이오드를 다룰때 언급해 보겠습니다.

지금 당장 제너를 다루기에는 좀 무리라고 생각합니다.

그러니까 전원부를 설계할때 브리지 다이오드의 전압강하는 생각할 수 있어야 하겠습니다.

 

트랜스에 얻는 전압에서 약 1.4V의 전압강하는 누가 알려주지 않아도 생각할 수 있어야 하겠습니다. 왜 1.4V 냐구요?

브리지 니까요. 다이오드 두개가 한팀이니까요.

더 나아가서는 반도체인 IC레귤레이터의 전압강하 까지도 생각할 수 있어야 제대로 된 전원부를 설계할 수 있겠습니다.

전압강하는 아주 아주 중요한 현실적인 개념입니다.

이상 감사합니다.

 

출처: http://blog.naver.com/his76?Redirect=Log&logNo=30126485061