PART5반도체 (Semiconductor)

실험 2 :제너 다이오드의 특성

이론

제너다이오드는 역방향 항복점을 이용하는 것을 제외하고는 보통의 다이오드와 비슷하다. 따라서 역방향 항복점은 제조과정에서 조심스럽게 조절되어지며, 이러한 제너전압은 2~3V로부터 200V 이상까지 어떤 값이나 얻을 수 있다. 그림 5-5 (a)는 적절한 전류와 전압에 대한 제너다이오드의 특성곡선을 나타낸 것이다. I_ZK는 다이오드가 항복영역 내에서 동작할 때의 최소 역방향 전류이며, I_ZM은 다이오드가 전력정격을 초과하지 않고 견딜 수 있는 최대역방향전류이다. I_ZK와 I_ZM사이에서 곡선의 기울기는 제너임피던스 Z_Z로 알려져 있다. 곡선의 기울기는 수평축에 따른 변화량을 수직축에 따른 변화량으로 나누어 줌으로써 구할 수 있다. 전압, 전류 또는 다른 변수들의 변화는 그리스 문자 Δ(델타)로서 나타낸다. 그러므로 그림 5-5에 나타낸 곡선의 기울기는 ΔV/ΔI로 주어진다.

제너다이오드를 I_ZK와 I_ZM사이에서 동작시킬 경우 다이오드 양단의 전압은 비교적 일정하게 된다. 이러한 원리가 그림 5-5 (b)에 보인 회로에서 실제로 적용되었다. 안정화 되지 않은 20~30V의 직류전압원이 회로에 인가되어 제너다이오드는 역방향 바이어스가 걸리게 되며, I_ZK를 넘어서 다이오드가 그림 5-5 (a)에 보인 조정영역에 놓이도록 충분한 역방향 전류가 공급된다고 가정한다. 그러면 출력전압은 비록 입력이 20V에서 30V까지 변한다고 하여도 비교적 일정하게 유지될 것이다. 그러므로 제너다이오드는 출력전압을 조정하게 되며, 출력회로에 대하여 병렬로 놓여 있으므로 병렬조정기라고 부르기도 한다. V_out=V_z임을 유의하라. 그림 5-5 (b)에서 R_s는 제너조정기를 유지하고, 필요한 부하전류를 공급하기 위하여 항상 충분한 전류가 흐를 수 있도록 정확하게 선택하여야 한다. 만약 회로의 역방향 제너전류를 I_ZK에서 동작시킬 때, 부하는 보통 어떤 특정한 범위 이내에서 변화하게 된다. 만일 부하가 0에서 100mA까지 변화하고, 제너다이오드에서 I_ZK가 10mA라면, 양단의 전압이 최소일 때 를 통하여 흐르는 전류는 최소가 될 것이다. 그러므로는 모든 조건하에서 적당한 회로 동작이 가능하도록 제너다이오드의 I_ZK와 100mA의 최대부하전류를 공급하기 위하여 충분히 작아야 한다. 그러므로 R_s는 다음과 같이 결정된다.

불안정한 입력의 최소값(V_Rs) min)이 20V이고, 부하에 100mA의 최대전류 (I_IN max )가 흐를 때, 만일 45.5Ω보다 큰 R_s를 사용하였다면 제너는 충분한 역방향전류를 갖지 못하게 된다. 따라서 안전요소 (safety factor)를 고려하여 정확한 계산값보다 조금 작게 R_s를 선택하는 것이 바람직하다.

일단 제너다이오드 병렬조정기에 대한 적절한 값을 선택하였다면, R_s가 최소입력전압, 또는 최대부하전류 조건보다 더 큰 전류가 흐를 때 제너다이오드의 정격전력을 초과하지 않도록 안전하게 할 필요가 있다(제너다이오드 전류는 부하전류가 감소하면 반대로 증가하게 된다). 만일 입력전압이 20V의 최소값으로부터 증가한다면, 제너전압은 비교적 일정하게 유지되므로 R_s 양단의 전압은 증가하게 된다. 비슷하게 만일 부하가 100mA보다 작게 전류가 흐르도록 변화한다면, 부하전류의 감소가 제너다이오드를 통하여 나타난다. 그러므로 병렬조정기의 제너다이오드에서 최대전력소모는 입력전압이 변화 범위에서 최대일 때, 그리고 부하전류가 최소값일 때 나타난다는 것을 알 수 있다. 그러므로 그림 5-4(b)의 회로에서 R_s의 에 대하여 최대 제너전류는 다음과 같이 계산된다.

여기서 I_L min :최소 부하 전류
L_Z maz : 최대 제너 전류
V_(Rs) 는 30V에서 15V까지, and I_L 은 0으로 주어졌으므로 .

제너다이오드에서 소모되는 최대전력은 제너전압과 전류의 곱과 같다.

제너다이오드에서 소모되는 최대전력은 I_Z is 가 최대일 때 나타난다. 그러므로 P_Z=15V×330mA=4.95W 가 된다.

실험 과정

1. M-05의 회로-2에서 2c-2i, 2e-2k을 단락시켜서 그림 5-6 (a)와 같이 회로를 구성한다.

2. 입력전압을 6V로 조정 후 부하저항을 표 5-3과 같이 변화시키며 2e-2o에 걸리는 전압을 측정하여 기록한다. (점퍼를 사용하여 2e-2k, 2f-2l, 2g-2m, 2h-2n를 차례대로 단락시켜 부하저항을 교체한다.)

3. 2f-2i를 단락하여 그림 5-6 (b)와 같이 회로를 구성한다.

4. 입력전압을 6V로 그대로 두고 부하저항을 표 5-3과 같이 변화시키며 2h-2q에 걸리는 전압을 측정하여 기록한다.

5. 입력전압을 8V로 조정 후 그림 5-6 (a)와 그림 5-6 (b) 회로를 1항과 3항을 참고하여 결선하고 부하저항을 변화시켜 가며 전압을 측정한다.

6. 입력전압을 10V, 12V, 14V, 16V로 조정하여 나머지 실험을 진행한다.

7. 1~6항을 참고하여 Zener Diode를 9.1V(D₂)로 교체 후 표 5-4에 측정값을 기록한다.

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