PART7반도체 기본회로
실험 4 :제너 다이오드 특성
이론
제너 다이오드는 정전압이나 기준 전원을 얻기 위해서 자주 사용되는 소자이다. 제너 다이오드는 보통 다이오드와는 달리 역방향으로 전압을 걸어 사용한다. 제너 다이오드의 I-V 특성곡선을 그림 7-18과 같다. 제너 다이오드는 순방향 바이어스 영역에서 동작할 때는 일반 정류 다이오드와 같다.
제너 다이오드에 역방향 전압 VR이 설정값 전으로 역방향 바이어스가 걸리게 되면, 아주 작은 역방향 전류 IR이 흘러 설정값까지 도달된다. 이 전압의 설정값을 항복전압 또는 제너전압(Vz)라고 한다. Vz에서 급속하게 역방향 전류가 증가하지만, 전압은 거의 일정하게 유지한다.
이것을 제너 효과라고 하며 zener diode는 이러한 현상이 비교적 낮은 전압에서도 일어나도록 하기 위하여 반도체에 혼합하는 불순물의 양을 조정한 것이다. zener diode에 역방향으로 전압을 가하면 급격하게 전류가 흐르는 원인은 두 가지 있다. 하나는 터널 효과에 의한 제너 breakdown이며 또 하나는 애벌란시 breakdown 이다.
zener diode는 이 두 가지 효과를 같이 이용하고 있다. 비교적 낮은 전압의 zener diode에서는 제너 breakdown 쪽이 지배적이며 비교적 높은 전압의 zener diode에서는 애벌란시 breakdown효과를 많이 이용하고 있다. 5V 부근의 zener diode에서는 각각이 적당한 비율로 혼합하여 사용합니다.
애벌란시 현상
반도체 중의 캐리어가 강한 전계로 가속되면, 그 에너지로 궤도에서 가전자를 끌어내어 새로운 캐리어를 만든다. 그 캐리어가 또한 가속되어 같은 동작을 반복하여 전류가 눈사태처럼 증가하는 현상
터널 효과는 부의 온도 계수를 가지고 있으며 애벌란시 효과는 정의 온도 계수를 가지고 있다. 그 때문 zener diode의 온도 특성은 제너전압에 따라 크게 다르다. 5V부근에서는 터널 효과와 애벌란시 효과가 비슷한 비율로 작용하기 때문에 온도계수가 서로 상쇄되어 온도가 변화에 의한 제너전압의 변화는 거의 없다.
제너 전압은 제너 다이오드의 설계 및 사용되는 재료에 의해 결정된다. 실제로, 제너 전류는 IZT에서 IZN의 범위에서 흐를 수 있도록 설계된다. IZT값은 PMAX = VZ IZM 인 제너 다이오드의 최대 전력 소모에 의존한다.
실험 과정
1. 제너 다이오드의 순방향전류와 역방향 전류의 특성을 실험하기 위해 M07의 block a를 사용한다.
2. 제너 다이오드의 역방향전류와 제너 다이오드 전압을 측정하기 위해 계측기를 연결하고, 그림 7-19 (a)과 같은 회로를 구성한다.
3. 입력전압을 표 7-8과 같이 변화시키며 역방향전류 및 제너 다이오드 양단 간의 전압을 측정하여 해당란에 기록한다.
4. 순방향 특성을 위해 그림 7-19 (b)과 같은 회로를 구성하고 위 과정을 수행한다.
tab1실험 7-4.1 제너 다이오드 특성 측정
1.결선방법(M07의 block a)
1.회로 결선
block a에서 R2 좌측단자와 VR1 센터(중간) 단자 간을 황색선으로 연결한다.
2.전원 결선
M07 보드의 Variable Power V1 단자와 block a의 VR1 위 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 접지 간을 흑색선으로 연결한다.
3.계측기 결선
전류계 결선
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.
제너 Diode에 흐르는 전류 IF 측정 : block a의 SW1 우측 단자에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 제너다이오드 ZD 위 단자에 흑색선을 연결한다.
전압계 결선
입력 전압측정 : block a에서 저항 R2의 좌측 단자와 전면패널 Signal Input CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, 접지 단자 와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
제너 Diode 양단 전압 VD 측정 : block a에서 제너다이오드 ZD의 위 단자와 전면패널 Signal Input CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, 접지 단자 와 전면패널 Signal Input CH B의 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정방법
- <역방향 특성>
1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 variable power를 클릭하고, 3 CH DC 탭을 선택한다.DC Voltage 1에서 오른쪽의 를 클릭하여 가 되도록 설정한다.
을 클릭하여 DC 10V의 출력을 Block a 입력에 가한다.
- 2Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 dmm를 선택하고 를 클릭한다.
- 3VR1을 조정하여 표 7-8과 같이 입력전압을 변화시키면서, 별도 Digital Multimeter에서 지시되는 역방향 전류값 (IR)과 Voltage & Ampere Meter 측정되는 입력전압(CH A)과 제너다이오드 양단의 전압 (CH B) VD을 표 7-8에 기록한다.
- 4측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
- <순방향 특성>
5Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 variable power를 클릭하고, 3 CH DC 탭을 선택한다.DC Voltage 1에서 오른쪽의 를 클릭하여 가 되도록 설정한다.
를 클릭하여 –10V 가 되도록 한다.
을 클릭하여 DC -10V의 출력을 Block a 입력에 가한다.
- 6입력전압을 표 7-8의 -VD와 같이 변화시키면서 별도 Digital Multimeter에서 지시되는 순방향 전류값IF과 Voltage & Ampere Meter에서 측정되는 입력전압(CH A)과 제너다이오드 양단의 역방향 전압(CH B) -VD을 표 7-8에 기록한다.
- 7측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
실험 결과 보고서
1. 실험 결과표
2. 검토 및 정리
1) 표 7-8에서 제너 전압과 제너 동작시 흐르는 전류를 확인한다.
2) 최대 전압을 가했을 때 제너전압과 흐르는 전류는 확인한다.
3) 표 7-8의 측정값을 이용하여 제너 다이오드의 특성 곡선을 그린다.
