PN 접합과 I-V 특성

한 줄 요약 — 다이오드(diode)는 한 방향으로만 전류를 흘립니다. 그리고 전압-전류 관계가 지수함수라서 옴의 법칙이 통하지 않습니다.

동작 원리

P형 반도체(정공 다수)와 N형 반도체(전자 다수)를 붙이면 경계에서 캐리어가 확산해 공핍층(depletion region) 이 생기고, 내부 전위 장벽이 형성됩니다.

바이어스	결과
순방향 (P에 +)	장벽이 낮아짐 → 전류가 흐름
역방향 (N에 +)	장벽이 높아짐 → 거의 안 흐름(누설만)

쇼클리 다이오드 방정식

\boxed{I = I_S\left(e^{V/(nV_T)} - 1\right)}

기호

e잡음 전압 밀도noise voltage densityV/√Hz

I전류currentA

I_S신호원 전류source currentA

n비트 수 또는 개수number of bits or count

V전압voltageV

V_T열전압 (≈26 mV)thermal voltageV

기호	의미	전형값
$I_S$	포화(saturation) 전류	$10^{-12}$ ~ $10^{-15}$ A
$n$	이상 계수	1 ~ 2
$V_T$	열전압열전압 thermal voltagekT/q 로 정해지는 26 mV 로, 다이오드의 지수 식과 BJT 의 전달 컨덕턴스가 모두 이 값을 씁니다. $V_T = kT/q \approx 26\,\mathrm{mV}$ 자세히 보기 → $= k_BT/q$	25.85 mV @ 300 K

실용적 결과 — 60 mV/decade

$n=1$ 일 때, 전류가 10배 되려면 전압이 얼마나 올라야 하는가?

\Delta V = nV_T\ln 10 = 25.85 \times 2.303 \approx 59.5\ \text{mV}

기호

Delta V전압 변화량voltage changeV

n비트 수 또는 개수number of bits or count

V전압voltageV

V_T열전압 (≈26 mV)thermal voltageV

전류 10배 = 전압 약 60 mV. 이것만 외우면 다이오드 계산의 90%가 됩니다.

전류	$V_F$ (예시)
0.1 mA	0.56 V
1 mA	0.62 V
10 mA	0.68 V
100 mA	0.74 V

💡 “실리콘 다이오드는 0.7 V”라는 말은 약 10~100 mA에서의 근사입니다. 1 µA에서는 0.45 V 정도입니다.

온도 의존성

\frac{dV_F}{dT} \approx -2\ \text{mV/°C}

기호

d거리 또는 두께distance or thicknessm

T온도 또는 주기temperature or period

V_F순방향 전압 강하forward voltage dropV

전류를 일정하게 유지하면 온도가 1 °C 오를 때마다 순전압이 2 mV 떨어집니다.

이 성질은 양날의 검입니다:

관점	의미
온도 센서로 활용	다이오드/트랜지스터(transistor) 접합을 온도계로 사용 (MCU 내장 온도센서의 원리)
회로 안정성 문제	바이어스가 온도에 따라 드리프트 → 보상 필요 (6-03)
열 폭주	온도↑ → $V_F$ ↓ → 전류↑ → 발열↑ → … (전력 소자에서 위험)

소신호 저항

동작점(operating point)동작점 operating point신호가 없을 때 트랜지스터가 앉아 있는 전압·전류 자리로, 여기가 어긋나면 증폭이 잘려 나갑니다.자세히 보기 → 근처에서의 미분 저항:

r_d = \frac{dV}{dI} = \frac{nV_T}{I}

기호

d거리 또는 두께distance or thicknessm

I전류currentA

n비트 수 또는 개수number of bits or count

r_d드레인 저항 (소신호)drain small-signal resistanceΩ

V전압voltageV

V_T열전압 (≈26 mV)thermal voltageV

전류	$r_d$ ( $n=1$ )
1 µA	26 kΩ
100 µA	260 Ω
1 mA	26 Ω
10 mA	2.6 Ω

💡 $r_d = 26\ \text{mV}/I$ 는 트랜지스터 증폭기의 이득을 계산할 때 핵심적으로 쓰입니다 (6-03).

다이오드 종류

종류	$V_F$	특징	어디에
일반 실리콘 (1N4148)	0.7 V	저렴, 빠름(4 ns)	신호, 보호
정류용 (1N4007)	1.0 V	고전류·고내압, 느림(µs)	전원 정류(rectification)정류 rectification교류를 한쪽 방향으로만 흐르게 걸러 직류로 만드는 일입니다.자세히 보기 →
쇼트키 (1N5819, BAT54)	0.2~0.4 V	빠름, 저손실, 누설 큼	고효율 정류, 클램프
제너	역방향 항복(breakdown)항복 breakdown역방향 전압이 어느 값을 넘으면 다이오드가 갑자기 전류를 흘리기 시작하는 현상으로, 제너는 이것을 일부러 씁니다.자세히 보기 → 이용	기준전압(voltage reference)	03
LED	1.8~3.5 V (색상별)	발광	04
PIN		고주파 스위치, 광검출	RF, 광센서
TVS		서지 흡수	05

계산 예제

예제 1 — 다이오드 회로 풀기 (반복법)

5 V 전원에 1 kΩ과 다이오드가 직렬. 전류는?

1차 근사: $V_F = 0.7$ V로 가정

I = \frac{5-0.7}{1000} = 4.3\ \text{mA}

기호

I전류currentA

검증: 4.3 mA에서 실제 $V_F$ 는? 10 mA에서 0.7 V라면, 4.3 mA는 약 0.78배 decade이므로

V_F \approx 0.7 - 0.0595\log_{10}\frac{10}{4.3} \approx 0.7 - 0.022 = 0.678\ \text{V}

기호

V_F순방향 전압 강하forward voltage dropV

2차 근사:

I = \frac{5-0.678}{1000} = 4.32\ \text{mA}

기호

I전류currentA

수렴했습니다. 실무에서는 1차 근사로 충분합니다.

예제 2 — 쇼트키를 쓰면 얼마나 이득인가

3.3 V 시스템의 역전압 보호에 다이오드를 직렬로 넣습니다. 100 mA 부하:

다이오드	$V_F$	손실 전력	부하 전압
1N4007	1.0 V	100 mW	2.3 V ❌
1N4148	0.75 V	75 mW	2.55 V ❌
쇼트키	0.3 V	30 mW	3.0 V △
P-MOSFET (이상 다이오드)	~0.01 V	~1 mW	3.29 V ✅

3.3 V 시스템에서 직렬 다이오드 보호는 전압 손실이 너무 큽니다. 그래서 실무에서는 P-MOSFET을 이용한 이상 다이오드(ideal diode) 회로를 씁니다 → 8-05

시뮬레이션으로 확인

다이오드 I-V 특성워크벤치에서 열기 →

# examples/05-diode/diode-iv.yaml
meta:
  name: 다이오드 I-V 특성
  lesson: docs/05-diode/01-pn-junction.md
components:
  - {ref: V1, type: vdc, value: 5}
  - {ref: R1, type: r,   value: 1k}
  - {ref: D1, type: d,   model: 1N4148}
nets:
  VIN: [V1.p, R1.1]
  A:   [R1.2, D1.a]
  GND: [V1.n, D1.k]
analyses:
  - {type: op}
  - {type: dc, source: V1, start: 0, stop: 5, step: 0.05}
expect:
  - {measure: i, through: D1, value: 4.3m, tol: 10%}

DC 스윕 결과를 보면 0.5 V 부근까지는 전류가 거의 0이다가 지수적으로 급증하는 것이 보입니다.

⚖️ 부품 트레이드오프 — 다이오드 선택

선택	✅ 좋아지는 것	⚠️ 나빠지는 것
쇼트키	$V_F$ 낮음 → 손실·발열 감소, 빠른 스위칭(역회복 없음)	역방향 누설 전류(leakage current)가 100~1000배 큼(고온에서 특히), 내압 낮음, 열 폭주 위험
일반 실리콘	누설 극소, 내압 높음, 저렴	$V_F$ 높음, 역회복 시간
고속 다이오드	빠른 역회복 → 스위칭 손실 감소	비쌈
큰 다이오드(고전류)	전류 여유, 낮은 $V_F$	접합 용량 증가 → 고주파 특성 악화, 누설 증가

⚠️ 고임피던스 측정 회로에서 쇼트키의 누설 전류는 치명적입니다. 입력 보호용으로 쇼트키를 달면, 그 누설(µA급)이 MΩ 노드에 흘러 큰 옵셋을 만듭니다. 저누설 다이오드(BAV199, 1 nA급) 를 써야 합니다.

입력 보호 다이오드의 딜레마

	✅	⚠️
보호 다이오드 있음	ESD·과전압으로부터 입력 보호	누설 전류가 옵셋을 만듦, 접합 용량이 대역폭(bandwidth)을 제한
보호 다이오드 없음	누설·용량 없음, 최고 성능	정전기 한 번에 소자 파괴

절충: 저누설·저용량 다이오드(BAV199: 누설 1 nA, 용량 1.5 pF)를 쓰고, 직렬 저항으로 전류를 제한합니다.

🔌 실제 쓰임새

용도	종류
전원 정류	정류용, 쇼트키
역전압 보호	쇼트키 또는 이상 다이오드 회로
플라이백 (유도성 부하)	고속, 쇼트키 (05)
클램프 (입력 보호)	저누설 BAV199 등
전압 기준	제너, 밴드갭(bandgap)
온도 센서	일반 접합 (−2 mV/°C)
논리 OR (다이오드 OR)	쇼트키
검파 (RF)	쇼트키, 게르마늄

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
$V_F = 0.7$ V 고정	전류에 따라 60 mV/decade 변화, 온도에 따라 −2 mV/°C
역방향 전류 0	누설 전류 존재. 온도 10 °C마다 약 2배
즉시 스위칭	역회복 시간( $t_{rr}$ ) 동안 역방향 전류가 흐름 → 스위칭 손실, 노이즈
용량 없음	접합 용량 (수 pF ~ 수백 pF, 역전압에 따라 변함)
무한 내압	항복 전압 존재

⚠️ 역회복(reverse recovery)역회복 reverse recovery다이오드가 순방향에서 역방향으로 바뀔 때 잠깐 거꾸로 흐르는 전류로, 고속 스위칭에서 손실과 잡음을 만듭니다.자세히 보기 →: 정류 다이오드가 꺼질 때 저장된 소수 캐리어 때문에 순간적으로 역방향 전류가 크게 흐릅니다. 이것이 스위칭 노이즈의 주요 발생원이고, 측정 회로에 간섭(interference)을 일으킵니다. 쇼트키는 다수 캐리어 소자라 역회복이 없어 이 문제가 적습니다.

연습문제

문제 1. 다이오드에 1 mA에서 0.65 V가 걸립니다. 10 mA에서는? ( $n=1$ )

exercises/05-01-decade-slope.yaml

풀이

V_F = 0.65 + 0.0595 \approx 0.71\ \text{V}

기호

V_F순방향 전압 강하forward voltage dropV

문제 2. 25 °C에서 $V_F = 0.7$ V인 다이오드가 85 °C에서는?

exercises/05-01-tempco.yaml

풀이

\Delta V = -2\ \text{mV/°C} \times 60\ \text{°C} = -120\ \text{mV}

기호

Delta V전압 변화량voltage changeV

V전압voltageV

V_F = 0.7 - 0.12 = 0.58\ \text{V}

기호

V_F순방향 전압 강하forward voltage dropV

120 mV나 떨어집니다. 다이오드를 전압 기준으로 쓰면 온도에 따라 크게 흔들린다는 뜻입니다.

문제 3. 고임피던스 입력(10 MΩ)에 ESD 보호용으로 쇼트키 다이오드(25 °C에서 누설 1 µA)를 달았습니다. 옵셋 오차는? 85 °C에서는?

연습 5-01-3 — 쇼트키 누설이 고임피던스 입력을 망치는 크기워크벤치에서 열기 →

풀이

25 °C:

\Delta V = 1\times10^{-6} \times 10\times10^{6} = 10\ \text{V}

기호

Delta V전압 변화량voltage changeV

V전압voltageV

10 V! 회로가 완전히 망가집니다. (실제로는 다이오드 누설이 노드를 전원 쪽으로 끌어당겨 포화됩니다)

85 °C: 누설은 10 °C마다 2배이므로 $2^6 = 64$ 배 → 64 µA. 더 심각합니다.

결론: 고임피던스 노드에 쇼트키를 쓰면 안 됩니다.

대안:

저누설 다이오드 BAV199 (누설 ~1 nA) → $\Delta V = 10$ mV. 여전히 크지만 감당 가능
JFET/CMOS 입력 소자의 내장 보호만 사용
직렬 저항 + 작은 클램프를 버퍼 뒤(저임피던스 지점) 에 배치 ← 최선

보호 회로는 저임피던스 지점에 두는 것이 원칙입니다. 고임피던스 노드에는 아무것도 붙이지 않는 것이 가장 좋습니다.

다음 → 02 정류회로와 리플