Applications Ch. 2 Diodes and

Ch. 2 Diodes and

Applications

Yun SeopYu

복습: PN 접합 (PN Junction)

PN 접합 형성

n 영역의 전자  p영역으로 확산 (밀도차)  PN 접합 부근 정공에 들어감  공핍층 형성

공핍층(depletion region)

공핍(depletion): 전자가 접합을 넘어 확산됨에 따라서 PN 접합 부근 영역의 전하반송자 (전자 or 전공)이 결핍되는 현상  접합을 넘어 계속 움직이는 전자들의 장벽으로 작용 장벽전위(barrier potential ): 이 공핍영역 양단의 장벽을 넘어 전자들이 움직이는데 요구되는 에너지 양 (전위차)  바이어스 (bias)

 Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V

Yun SeopYu

Question?

What process stops the migration of charge across the boundary?

A potential is built up (called the barrier potential) that prevents further charge migration.

Why do you think that the energy level in the n- region is lower than the p- region?

The n -region tends to have filled valence shells; conduction

electrons are shielded by these electrons, so they are further away

from the nucleus and have less energy.

Yun SeopYu

복습: 다이오드 (Diode)

PN 접합의 에너지 다이어그램과 공핍 영역

Yun SeopYu

2-1 다이오드 동작(Diode operation)

다이오드 구조: PN 접합

P 영역: 양극(Anode) N 영역: 음극(Cathode)

다이오드 기호

Yun SeopYu

2-1 다이오드 동작(Diode operation)

전형적인 다이오드 패키지(package)

Surface-mount diode package

KA

K K

A K

A A

K

A

K A

K A

K

A

K

K A

K K

A

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

순방향 바이어스 (forward bias)

V

_BIAS

> 장벽전위

순방향 Bias의 조건

 VBIAS 의 (-)쪽은 다이오드 n영역에

 VBIAS의 (+)쪽은 다이오드 p영역에 연결

 VBIAS 는 장벽전위보다 커야 한다.

순방향 바이어스의 영향

 많은 전자들의 이동  (+)이온 

 많은 정공들의 이동  (-)이온 

 공핍층 영역 

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

순방향 바이어스 (forward bias)

다수의 반송자가 흐름

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

역 바이어스 (Reverse Bias)

소수전자

p형(-)단자 연결, n형 (+)단자 연결 (+) 쪽 전자이동, (-) 쪽 정공이동  공핍층 증가

역전류(reverse current): 매우 적은 전류  P영역 소수전자와 N영역 소수 정공

역방향 바이어스가 가해진 경우 전류가 거의 흐르지 않는다.

Yun SeopYu

역항복(reverse breakdown):

역전압 증가  에너지증가(소수전자)  애벌런치 (avalanche) 효과 발생

그림과 같은 전자의 증가를 애벌런치라고 함  avalanche breakdown

공핍영역 통과, 정공과 재결합 없이 N영역 통과  높은 역전류 발생 (PN 구조 손상)

2-1. 다이오드 동작

원자 원자 원자

소수전자

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

순방향 바이어스를 가한 경우의 I-V 특성

동저항(dynamic resistance)-동적또는 교류저항

 r_d' = V_F/I_F

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

역방향 바이어스의 I-V 특성

항복전압

(Breakdown voltage)

Yun SeopYu

• 다이오그에 인가된 전압과 전류 사이에 비선형적인 관계

• I _s 값은 통상 10

^-15

~10

^-13

A을 갖음

• V _T (=KT/q) 는 상 온 (300K) 에 서 26mV

• 순방향 바이어스 상태와 역방향 바 이 어 스 상 태 로 구 분 하 여 근사적으로 표현 가능

• V >> V _T 이면 역방향 포화전류 I

_S

를 무시

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

전영역의 I-V 특성 곡선

𝐼 = 𝐼 _𝑆 (𝑒 ^{𝑉 𝑉𝑇} -1)

𝐼 = 𝐼 _𝑆 𝑒 ^{𝑉 𝑉 𝑇}

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

온도 효과

온도  순방향: 전류 , 전압   역방향: 전류 

Yun SeopYu

다이오드의 구조와 기호

바이어스 연결

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

Yun SeopYu

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

이상적인 다이오드 모델

순방향: 스위치 ON

 V_F = 0V, I_F = V_BIAS/R_LIMIT 역방향: 스위치 OFF

 I_R = 0A, V_R = V_BIAS

Yun SeopYu

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

실용 다이오드 모형

장벽 전압(V_F) 고려

 Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V 순방향

 V_F=0.7V

 I_F = (V_BIAS – V_F)/R_LIMIT 역방향 : I_R = 0A, V_R = V_BIAS

Yun SeopYu

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

완벽 다이오드 모델

순방향 동저항 (

r

_d

'

), 내부 역저항 (

r

_R

'

), 장벽전위 (V_F) 모두 고려 순방향 일때

 V_F = 0.7V + I_F

r

_d

'

 I_F = (V_BIAS – 0.7V)/(R_LIMIT

+ r

_d

'

)

Yun SeopYu

Example 2-1

r

_d

' = 10 , V

_BIAS

= 10V, R

_LIMIT

= 1k, V

_t

= 0.7V 일때 V

_F

, I

_F

, V

_LIMIT

?

이상적인 모델:

 V_F = 0V

 I_F = V_BIAS /R_LIMIT = 10/1k=10 mA,

 V_LIMIT = I_F R_LIMIT =(10m)(1k)=10 V

실질적인 모델:

 V_F = 0.7V

 I_F = (V_BIAS – 0.7V)/R_LIMIT = (10-0.7)/1k=9.3mA

 V_LIMIT = (9.3m)(1k)=9.3V

복잡한 모델:

 I_F = (V_BIAS – 0.7V)/(R_LIMIT

+ r

_d

'

) = (10-0.7)/(1k+10)=9.21mA

 V_F = 0.7 + I_F

r

_d

'

=0.7+(9.21m)(10)=792mV

 V_LIMIT = (9.21m)(1k)=9.21V

10 V

Yun SeopYu

Example 2-1

I

_R

=1A 일때 I

_R

,V

_R

, V

_LIMIT

?

이상적인 모델, 실질적인 모델:

 I_R = 0A,

 V_R =V_BIAS = 10V

 V_LIMIT = 0V

복잡한 모델:

 I_R=1A ,

 V_LIMIT= I_RR_LIMIT=(1)(1k)=1mV,

 V_R=V_BIAS-V_LIMIT= 10-1m = 9.999V

10 V

Yun SeopYu

21

DC power supply

2-4.반파정류기(Half-wave rectifier)

Transformer Rectifier

Filter

Regulator

Load

Yun SeopYu

22

반파 출력 전압 평균값

Ex2-2

그림의 반파정류된 전압의 평균값?

2-4.반파정류기(Half-wave rectifier)

π 1) V

2π (1 ] V

cosθ 2π [

V

dθ sinθ 2π V

dθ 1 sinθ T V

V 1

sinθ V

V

p π p

0 p

π 0 p π

avg 0 p p





















15.9V π

50 π

V V

sinθ V

V

p avg

p









Yun SeopYu

23

장벽전위의 영향 : V

_p(out)

=V

_p(in)

-0.7V

최대 역전압 (peak inverse voltage: PIV)

역방향 bias시 diode에 걸리는 전압

2-4.반파정류기

PIV=V

_p(in)

Yun SeopYu

24

2-4.반파정류기

변압기를 가진 반파 정류기

전원전압 조정 가능

교류전원을 정류기 회로로부터 전기적으로 분리

 충격에 의한 손상 감소

pri pri

sec sec

V

N V N  





 



 

Yun SeopYu

25

2-4.반파정류기

Ex. 2-4

84.3V 0.7V

V V

V 85 0.5V

V

V 170 V

V

p(sec) p(out)

p(pri) p(sec)

p(in) p(pri)















170 V

Yun SeopYu

26

2-5. 전파 정류기(Full-wave Rectifiers)

전파정류기 (full-wave rectifier)

입력의 전주기 (2p) 동안 부하의 한 방향으로 전류가 흐른다.

정현파 전압의 평균값은 반파의 두 배 (대략 V_p의 63.7%)

π

V _avg  2V ^p

Yun SeopYu

27

2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기 (Center-tapped Full-wave Rectifier)

ON

OFF

OFF

ON

Yun SeopYu

28

2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기

전파출력전압에서 권선비의 영향

1:1 인 경우

1:2 인 경우

Yun SeopYu

29

2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기

최대 역전압 (PIV)

 D₁-ON, D₂-OFF 일때 D2에 걸리는 전압

0.7V 2V

PIV

1.4V 2V

V

0.7 /2

V V

0.7V 2 V

0.7 V 2

PIV V

P(out) P(out) P(sec)

P(sec) P(out)

P(sec) P(sec)

P(sec)

















 



 



 

 



 



 



Yun SeopYu

30

2-5. 전파 정류기

전파 브리지 정류기 (Bridge rectifier)

Yun SeopYu

31

2-5. 전파 정류기

브리지 정류기의 출력전압

Yun SeopYu

32

2-5. 전파 정류기

전파 브리지 정류기 (Bridge rectifier)

최대 역전압

이상적인 다이오드 실제 다이오드

PIV= V_p(sec)= V_p(out) PIV= V_p(out) - (-0.7 V)

= (V_p(sec) - 1.4 V) - (- 0.7V ) = V_p(sec) - 0.7 V

Yun SeopYu

33

2-6. 전원공급 장치 필터 및 정전압 조정기 (Power supply filters and Regulators)

전원 공급장치 필터 (power supply filter)

Yun SeopYu

34

2-6. 전원공급 장치 필터 및 정전압 조정기

Capacitor filter- 일정 레벨의 직류전압 생성

리플 (ripple): 필터 출력의 적은 양의 변화

V

_c

에 충전

R

_L

에 의한 방전

시정수 (R

_L

C)  방전시간

>> 입력 전압 주기

Yun SeopYu

35

2-6. 전원 장치의 필터

리플 전압 (ripple voltage): 충전과 방전으로 인한 출력 전압의 변동  리플이 적으면 적을 수록 출력전압의 변동이 작다

반파

전파

 전파정류: 적은 양의 방전과 빠른 충전으로 리플이 적어진다.

T

_hw

T

_fw

Hz ms 60

7 . 16

1

1  



hw

hw

T

f

Hz 120 2

1 ) ( 1 2

2











hw hw

fw fw

hw fw

T f f T

T T

Yun SeopYu

36

2-6. 전원 장치의 필터

리플계수 (ripple factor)

V_r(pp) : 리플전압 실효값, V_DC : 필터의 직류전압 평균값 V_p(rect) : 필터되지않은 첨두 정류전압

리플계수 r이 작을 수록 좋은 필터

조건: V_DC가 정류된 입력전압의 첨두값의 10%내에 있는 경우

r = V

_r(pp)

/V

_DC

C ) 2fR (1 1

V V

C fR V 1

V

p(rect) L DC

p(rect) L r(pp)





 

 



 

Yun SeopYu

참고: 리플 계수 유도

C ) R (1 T

V e

V v

T, C

R and

T t

if

e V

v

L p(in)

C R

T p(in)

c(min) dis L

C R

t p(in)

c

L L

















C ) 2fR (1 1

V 2 V

V 1 V

C fR

V C

R V T

V V

V

L p(in)

r(pp) p(in)

DC

L p(in) L

p(in) c(min)

p(in) r(pp)

















T

f = 1/T

Yun SeopYu

38

2-6. 전원 장치의 필터

Ex. 2-8

리플계수를 구하라

15.6V 1.4V

V V

17V 0.1(170)

nV V

170V V

(1.414)120 (1.414)V

V

p(sec) p(rect)

p(pri) p(sec)

rms p(pri)



















0.039 15.3V

0.591V V

r V

15.3V F)

(1000μ )

0Ω (240Hz)(22 - 1

1 15.6V C )

2fR (1 1

V V

0.591V F)

(100μ )

0Ω (120Hz)(22 15.6V 1

C fR V 1

V

DC r(pp)

p(rect) L DC

L p(rect) r(pp)







 



 



 





 



 



 

 

 



 

120 Vrms 60Hz

1000 F 220 

Yun SeopYu

39

2-6. 전원 장치의 필터

급증전류 (surge current)

스위치가 닫히는 순간:

capacitor  short

 다이오드를 통해 I_surge 발생

V_p(in)에서 I_surge(max) 발생

 다이오드 파괴

해결책: R_surge (급증 제한 저항)

I_FSM : 다이오드가 순간 급증전류에 견딜 수있는 순방향 전격전류

FSM p(sec)

surge

I

1.4V

R V 



Yun SeopYu

40

2-6.Diode 리미팅 회로와 클램핑 회로

다이오드 리미터

양 리미터

음 리미터

Yun SeopYu

41

바이어스된 다이오드 limiter

2-7.Diode Limiters and Clampers

Yun SeopYu

42

바이어스된 다이오드 limiter

2-7.Diode Limiters and Clampers

Yun SeopYu

43

예제2-11

2-7.Diode Limiters and Clampers

Yun SeopYu

44

전압분배 바이어스

예제2-12

8.25V

220 12V 100

220 R V R

V R

_SUPPLY

3 2

BIAS 3



 

 











 

 

 





 

2-7.Diode Limiters and Clampers

Yun SeopYu

45

다이오드 클램퍼 (Clamper)

Clamper: 교류전압에 직류레벨을 더한다  직류 복원기

단, 적은 양 방전 (CR_L) RC 시정수 >> 10f_in

2-7.Diode Limiters and Clampers

Yun SeopYu

46

Diode Clamper

2-7.Diode Limiters and Clampers

Yun SeopYu

47

2-5. 전압 곱셈기(Voltage Multipliers)

2배 전압기 (Voltage doubler)

반파 배전압기 (Half-wave voltage doubler)

 이상적 다이오드 가정

Yun SeopYu

48

2-5. 전압 곱셈기

전파 배전압기 (Full-wave voltage doubler)

Yun SeopYu

2-5. 전압 곱셈기

3배 전압기

4배전압기

C

₁

V

_p

V

_in

C

₃

D

₂

D

₁

C

₂

D

₃

2V

_p

2V

_p

3V

_p

C₁ V_p

V_in C₃

D₂ D₁

C₂

D₃

2V_p

2V_p

4V_p

D₄

C₄ 2V_p

Yun SeopYu

1N4001 datasheet

Yun SeopYu

1N4001 datasheet

Yun SeopYu

52

Homework (P. 98-106) - All Examples

- Selected Problems: 5, 6,

8, 9, 10, 14, 15(d), 16,

21, 25, 27, 28, 34, 36,

38, 39, 40, 41

Yun SeopYu

Yun SeopYu

Yun SeopYu

Yun SeopYu

Yun SeopYu

Yun SeopYu