다이오드
한 방향 밸브

전류를 한 방향으로만

다이오드는 전류를 한 방향으로만 흘리는 밸브다. 물 역류 방지 밸브의 전기판이다.

단자가 둘이다. 양극 애노드(+)와 음극 캐소드(−)다.
애노드에서 캐소드 방향(순방향)으로만 전류가 흐른다. 반대인 역방향은 막힌다.

기호는 삼각형과 막대선으로 그린다. 삼각형이 가리키는 쪽이 전류가 흐르는 방향이다.
막대선인 캐소드가 흐름을 막는 벽이다. 그래서 화살표를 거슬러 흐르려 하면 막는다.

저항은 양방향으로 똑같이 흐른다. 다이오드는 방향을 가린다.
이 한 방향 성질 하나로 정류와 보호, 신호 검출이 다 나온다.

순방향 문턱전압 ≈ 0.7V

순방향이라고 0V부터 흐르는 게 아니다. 약 0.7V 문턱(실리콘)을 넘겨야 본격적으로 통한다.

다이오드 안은 PN 접합이다. P형과 N형 반도체가 맞붙은 경계에 전위 장벽이 생긴다.
이 장벽을 무너뜨릴 만큼 전압을 걸어줘야 전류가 길을 찾는다.

그 문턱이 실리콘은 약 0.7V, 게르마늄은 약 0.3V, LED는 색에 따라 약 1.8~3.3V다.

그래서 한번 통하면 다이오드 양단 전압은 0.7V 근처에서 거의 고정된다.
전류가 늘어도 전압은 크게 안 오른다. 이걸 회로에서 기준 전압처럼 쓰기도 한다.

I-V가 비선형이다

오른쪽에서 인가 전압을 직접 흔들어 본다. 전류가 직선이 아니라 휘어서 솟는 게 보인다.

저항은 I = V/R로, 전압에 전류가 정비례하는 직선이다.
다이오드는 다르다. 문턱 아래선 전류가 거의 0이다가, 넘는 순간 지수로 폭발한다.

식으로는 쇼클리 다이오드 식이다.
I = Is·(e^(V/(n·Vt)) − 1)
여기서 Vt ≈ 26mV(상온 열전압)이고, Is는 나노암페어급 역포화 전류다.

역방향으로 돌리면 e^(음수) → 0이라 전류는 거의 −Is뿐이다. 사실상 안 흐른다.
이 휘어진 비선형이 다이오드의 정체성이다.

역방향은 막는다

역방향 전압을 걸면 전류가 거의 안 흐른다. 다이오드가 벽이 된다.

PN 접합의 장벽이 더 두꺼워져서 전류 길을 막는다.
새는 양은 역포화 전류 Is뿐인데, 보통 나노암페어급이라 사실상 0이다.

단, 역방향 전압을 한계 넘게 키우면 장벽이 무너진다.
이걸 항복(breakdown)이라 한다. 이 한계가 역방향 항복전압 V_BR이다.

일반 다이오드는 항복이 곧 고장이다. 하지만 제너 다이오드는 일부러 항복점에서 동작시켜 전압을 일정하게 잡는 데 쓴다.
같은 현상을 막느냐 쓰느냐의 차이다.

정리: 정류·보호·LED

다이오드는 외울 게 많아 보여도 한 줄로 압축된다.
한 방향으로만 흐르고, 순방향은 0.7V 넘으면 통과하며, 역방향은 막는다.

이 한 방향 성질로 쓰임이 갈린다.
정류는 교류를 한쪽만 통과시켜 직류로 바꾼다(다음 강).
보호는 전원이 거꾸로 꽂히거나 역기전력이 생길 때 막아 회로를 지킨다.
LED는 순방향으로 통할 때 빛을 내는 다이오드다.

그리고 다이오드는 PN 접합 하나로 된 가장 단순한 반도체 소자다.
여기에 접합을 하나 더 쌓으면 트랜지스터가 되고, 이것이 반도체의 진짜 시작점이다.