다이오드 (2) 특수 다이오드

myblack·2025년 2월 11일

TL431 TVS 사이리스터 쇼트키다이오드 정전압회로 제너다이오드

전자회로

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제너 다이오드

제너 다이오드 (정전압 다이오드) 일정한 전압을 얻기 위해 사용.

제너 항복 발생시 다이오드 양 단자 전압은 Vz유지, IR 급격한 증가.
최소 제너 전류(IZK) 보다 크고 최대 제너 전류(IZM) 보다 작은 전류 범위에서 부하 RL에 일정한 전압 유지.

기능

서지 전류 및 정전기로부터 IC 등을 보호하는 보호 디바이스.
전압 차이(VAK)가 제너 전압을 초과하거나, 제너 동작 영역에 들어가면 제너 다이오드는 동작하기 시작합니다.
제너 다이오드 정격 전압 이상의 전압이 걸리면 도통되며 정격 전압을 방출한다.
정격 전압 이하의 전압이 걸리면 OFF 상태

예시

조건:
제너 전압: 5.6V
캐소드 전압: -5V
애노드 전압: 두 가지 경우를 고려

(a) 애노드 전압 0V일 때 (VA=0):
VAK = VA-VK = 5V로 5.6V에 도달 X
제너 다이오드는 동작하지 않음. OFF 상태로 전류 안흐름

(b) 애노드 전압 5V일 때 (VA=5):
VAK = VA-VK = 10V로 5.6V 초과해 제너 영역에서 동작
제너 다이오드 동작, 캐소드와 애노드 간 전압은 5.6V로 유지됨

예시2

제너 다이오드의 Vz = 6.2V일 때의 동작 분석 (–5V 기준)

역방향 전압이 제너 전압(Vz) 이상일 때 전류가 흐름.
즉, D3의 캐소드 전압(Vin)이 –5V보다 6.2V 이상 높아야 D3가 ON됩니다.

VCathode - VAnode ≥ 6.2V
Vin - (-5V) ≥ 6.2V
-> Vin ≥ 1.2V

Vin(입력 전압)이 1.2V 이상이면 D3가 ON(전류가 흐름)되고 보호 기능이 활성화됨.

정전압 회로

정전압 회로 : 일정하지 않은 전압이 입력되도 일정한 전압을 출력하는 회로

20V의 입력 전압이 인가되고 500ohm을 거쳐
NPN 트랜지스터의 base 전류(I_B)가 인가됩니다.
트랜지스터가 turn on되어 collector에서 emitter의 방향으로 전류(I_CE)가 흐르게 됩니다.
출력단 10uF 커패시터가 충전되고 출력 전압이 인가되게 됩니다.

TL431

기준 핀에 연결된 저항의 값에 따라 정격 전압을 조정할 수 있는 제너 다이오드
VAR이 VREF(2.5V) 보다 크면 Cathode(K) - Anode(A)가 ON 됨

TVS 다이오드

VBR (Breakdown Voltage) :
TVS 다이오드의 항복 전압으로, 이 전압에서부터 다이오드의 저항이 급격히 낮아져 전류가 빠르게 증가.
일반적으로 1mA의 전류가 흐를 때 VBR이 설정되며, TVS 다이오드가 수 mΩ 수준의 낮은 저항을 보이기 시작하는 시점.

VRWM (Working Peak Reverse Voltage) :
TVS 다이오드가 정상적으로 동작할 수 있는 최대 전압.
일반적으로 VBR보다 10% 낮은 값으로 설정됩니다. V
RWM은 보호하려는 회로의 피크 전압과 같거나 그 이상이어야 함.

IR (Leakage Current) :
VRWM 전압에서 TVS 다이오드를 통해 흐르는 누설 전류입니다.
이 전류는 TVS 다이오드가 전압을 차단할 때 흐르는 미세한 전류.

IPP (Peak Pulse Current):
TVS 다이오드가 반복적으로 처리할 수 있는 최대 펄스 전류입니다.
IPP를 초과하는 전류가 들어오면 TVS 다이오드가 손상될 수 있다.

VCL (Clamping Voltage) :
TVS 다이오드가 보호하는 회로에 인가되는 최대 전압으로, 주어진 펄스 전류(IP)를 기준으로 측정.
ESD나 서지가 발생해도 보호하려는 회로에 클램핑 전압 이상이 걸리지 않도록 함.

PPP (Peak Pulse Power) :
VCL과 IPP의 곱으로, TVS 다이오드가 처리할 수 있는 최대 펄스 전력.
이 값이 크면 TVS 다이오드의 보호 능력이 크지만, VCL이 낮고 IPP가 큰 것이 더 중요한 특성

RDYN (Dynamic Resistance) :
VBR 이상의 역전압에서의 다이오드의 동적 저항입니다. RDYN가 낮을수록 클램핑 전압이 낮아짐. TVS 다이오드의 클램핑 능력을 나타냄.

TVS와 Zenner 다이오드 차이점

TVS 다이오드는 Surge 전압을 흡수하여 다른 소자를 보호하는 용으로 사용
제너 다이오드는 레귤레터처럼 정전압 공급용으로 사용됩니다.
따라서 TVS 다이오드는 노멀 동작 영역이 VRWM전압까지이며, 갑자기 정전기ESD (electro-static discharge)가 유입되면 클램핑 전압으로 낮춰주면서 보호
제너 다이오드는 반대로 노멀 동작 영역이 VBR 전압 이후이며, 불안정한 전압을 일정한 전압으로 클램핑 해주는 것

쇼트키 다이오드

일반적인 다이오드는 PN 접합으로 다이오드 특성을 지니는데 반해,
쇼트키 배리어 다이오드는 금속과 반도체와의 접합을 통해 발생하는 쇼트키 배리어를 이용한 다이오드
PN 접합의 다이오드에 비해 순방향 전압 (VF) 특성이 낮으며, 스위칭 특성이 빠르다는 장점이 있습니다. (전력손실 적고 효율 높음)
단, 누설 전류 (IR) 가 크므로 열 설계를 잘못하면 열 폭주가 발생한다는 결점이 있습니다.

쇼트키 장벽 :
금속과 n형 반도체 사이에 형성된 쇼트키 장벽은 전자가 이동할 때 극복해야 하는 에너지 장벽 역할을 합니다.

순방향 바이어스 :
순방향 전압이 가해지면, 금속에서 반도체 쪽으로 전자들이 쉽게 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다. 이 과정에서 낮은 전압 강하가 발생합니다.

역방향 바이어스 :
역방향 전압이 걸릴 경우, 전자 이동이 억제되지만 쇼트키 다이오드는 p-n 접합 다이오드에 비해 역 누설 전류가 상대적으로 높은 편입니다.

사이리스터

Thyristor = Thyratron + Transistor

사이리스터(Thyristor)는 4개의 반도체 층(P-N-P-N)으로 구성된 고전압·고전류 스위칭 소자
일단 켜지면 꺼질 때까지 계속 전류를 흐르게 하는 특성을 갖는 래칭형 소자
SCR(Silicon Controlled Rectifier)가 가장 대표적인 형태

구조

PNPN 4개의 층
3개의 PN 접합 구조
Anode (A): 전류 유입 단자
Cathode (K): 전류 방출 단자
Gate (G): 트리거용 제어 단자

동작 원리
사이리스터는 게이트 트리거 전압을 받아 켜지고, 일정 조건에서만 꺼지는 래칭(latching) 동작

켜짐 (Turn-On)
정전압 조건: Anode에 양의 전압, Cathode에 음의 전압 인가
Gate 신호: Gate에 펄스를 주면 중간 P층이 도핑되어 통로 형성
PNPN 구조가 내부적으로 트리거됨 → 내부 소자(BJT 2개)가 양방향 증폭 → 큰 전류 흐름
꺼짐 (Turn-Off)
외부에서 끌 수 없음
반드시 Anode 전류가 일정 임계 이하로 떨어져야 함 (자연 소멸)
또는 역전압 인가 → "전류 차단 조건" 필요
1. 게이트 전압 or 전류 0 일때 OFF
2. 게이트 역전압 인가 or 유지전류 이하

특성

동작 설명

소자 양단 전압이 음이면, 역 바이어스되어 오프 상태에 있게 됨
게이트 전압 펄스을 인가하면, 게이트 전류 펄스가 유발되어 사이리스터가 턴온 됨
애노드 전류를 증가시키면 턴온 됨
온 상태에서 애노드 전류 IA를 유지 전류 IH 이하로 감소시키면, 턴오프 됨

주요 파라미터명

VFB 또는 VBO (Forward Breakover Voltage) :
일정 전압 넘어서면 급격하게 전류 발생하는 전압
양단 전압이 브레이크 오버 전압 도달하면, 큰 전류가 흘러 도통 상태, 낮은 전압 강하를 유지함
양단 전압이 이 이상을 넘어 유지되면, 사이리스터가 파괴됨
IL (Latching Current, 래칭 전류)
턴온되고 게이트 전류를 제거한 후에 온 상태를 유지하는데 필요한 최소 애노드 전류
접합면을 통해 이동 전하캐리어의 량을 유지시키기 위한 최소 전류
IH (Holding Current, 유지 전류)
순방향 애노드 전류 IA가 유지전류 이하로 감소되면 턴오프 됨

특징

항목	설명
Latching 동작	ON 후 외부에서 OFF 불가능 (전류 자연 감소 필요)
Gate 전류	작고 짧은 펄스면 충분 (μs 수준)
고전력 처리	수 kV, 수 kA까지 가능
스위칭 속도	느림 (수 μs ~ ms)
제어 특성	단방향 전도, 단순 구조, 트리거 필요

장단점

장점	단점
고전압/고전류 처리 우수	Turn-Off 제어 어려움 (GTO 또는 외부 회로 필요)
구조 단순, 가격 저렴	고속 스위칭 불리 (MOSFET/IGBT보다 느림)
래칭 특성으로 안정적 전류 유지	전류 유지 조건 충족 시 꺼지지 않음

종류

종류	특징
SCR	가장 일반적인 형태
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)	게이트로도 OFF 가능
TRIAC	AC 양방향 전류 제어 가능 (가전기기 제어용)
DIAC	양방향 트리거 소자 (TRIAC과 함께 사용)
SUS, LASCR	특수 조건 감지용 트리거 사이리스터

GTO

GTO(Gate Turn-Off Thyristor)는 게이트 신호만으로 ON/OFF가 가능한 사이리스터 계열의 고전력 스위칭 소자
기존 SCR(Silicon Controlled Rectifier)은 게이트로만 켤 수 있고 꺼지지 않음
GTO는 게이트에 역전류를 인가해 끌 수 있는 "완전 제어형 사이리스터"

    Anode
      │
     P+      ← 양극
     N-      ← 드리프트층 (고전압 내성)
     P       ← 게이트 제어층
     N+      ← 캐소드 접속층
      │
    Cathode
      │
    Gate  ← P층에 연결 (제어단)

게이트 단자(Gate)는 ON 시 정(+) 전류, OFF 시 부(-) 전류를 공급합니다.
캐소드에는 고속 턴오프를 위한 Snubber 회로가 병렬로 추가되는 경우가 많습니다.

동작 원리

① Turn-ON (도통 시작)
Gate에 양(+)의 펄스 전류를 주면 P층이 활성화되어 전류가 흐르기 시작함
전류가 충분히 크면 내부 PNPN 구조의 래칭 효과로 인해 전류가 계속 흐르게 됨
이 동작은 일반 SCR과 동일
② Turn-OFF (소거)
Gate에 역방향(-) 전류를 강하게 인가하면,
캐소드 인근의 캐리어들이 소멸되고 내부 전류 증폭 루프가 차단
결과적으로 GTO는 외부 회로 없이도 자체 OFF 가능 (SCR과의 가장 큰 차이점)

단, OFF를 위해 큰 전류(수 A ~ 수십 A)를 순간적으로 흘려야 하므로 게이트 드라이버 회로가 복잡함.

특성

특성	내용
제어 방식	양방향 게이트 전류 (ON/OFF 제어 모두 가능)
전류/전압 등급	수백 A ~ 수 kA, 수백 V ~ 수 kV
스위칭 속도	SCR보다 빠르지만, IGBT보다는 느림
게이트 전류	ON: 수 mA, OFF: 수 A 필요
게이트 드라이버	크고 빠른 역전류 소거 기능 필요
스위칭 손실	Tail current 존재 → 전력 손실 있음

장단점

장점	설명
완전 제어 가능	ON/OFF 모두 게이트로 제어 가능 (SCR과의 차별점)
고전력 구동	고전압·고전류에서 안정적 동작
외부 스위칭 회로 불필요	OFF 시 역전류만 주면 됨 (전류 자연 소멸 불필요)

단점	설명
큰 OFF 전류 요구	수 A 이상 게이트 역전류 필요 → 복잡한 드라이버
낮은 스위칭 속도	Tail current 존재로 고속 스위칭 부적합
높은 손실	Turn-off 손실이 존재, 발열 발생 큼
최근 대체 추세	고속 스위칭이 중요한 분야에서는 IGBT로 대체 중

Ref
https://components101.com/regulators/tl431-pinout-datasheet
https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/diodes/di_what6
http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=4503
https://mylearnstory.tistory.com/6
https://kkhipp.tistory.com/8
https://ttistoryy.tistory.com/18
https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/diodes/di_what5

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=5401