제너다이오드의 특성

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목차: 1. 제너 다이오드란?
2. 제너항복이란? (출처 : 두산세계대백과)
3. 제너전압을 측정하는 방법
4. 제너다이오드의 응용
5. 제너다이오드에 직렬 저항을 연결하는 이유

6. 실험순서

1. 역바이어스 전압-전류 특성 실험
2. 순바이어스 전압-전류 특성 실험
3. 정전압 소자로의 제너 다이오드

본문내용: 실험레포트

학과
전기공학과
학번
04509043
학년
3학년
이름
한태현

제너 다이오드의 특성

1. 제너 다이오드에 흐르는 전류에 대한 순방향, 역방향바이어스가 미치는 영향을 측정한다.
2. 제너 다이오드의 전압전류 특성을 결정하여 그래프를 그린다.
3. 제너 정전압 회로를 구성하고 정전압 출력 범위를 실험적으로 측정한다.

1.
실험 목적
제너 다이오드란?

[그림 2] I-V특성

[그림 1] 항복특성
합금 또는 확산법으로 다량의 불순물을 함유한 pn접합을 만들면 공핍층 폭이 좁아지고 내역전압(inverse voltage)이 내려간다. 합금법에는 접합부의 불순물 농도가 급격히 변화하므로 내역전압이 낮다. 역전압에 의한 항복 현상은 애벌란시 항복(avalanche breakdown)과 제너 항복(Zener breakdown)으로 나뉘어지며, 역전압에 의한 역방향 전류는 절연 파괴가 발생하면 전압에 관계없이 [그림 1]과 같게 된다. 이것은 제너 다이오드의 특성곡선중에서 역방향 부분을 나타낸 것이며, Vr이 증가할 경우 Ir은 변곡점 직전까지는 거의 일정한 값을 유지하고, 그 이상에는 제너 전류가 급격히 증가함에 따라 제너 저항이 감소하게 된다. 즉, 항복 전압(Vz)이 일정하게 유지되는 정전압 조절 기능을 갖게 된다.
이와 같이 일정한 역전압을 유지하기 때문에 정전압 다이오드(constant voltage diode)라 하며, 제너 항복에 의한 정전압 특성을 나타내므로 제너 다이오드(Zener diode)라고도 한다.
[그림 1]에서 역방향 전류의 최소값 IZn은 정전압 소자가 유지해야 하는 최소 전류이며, IZm은 다이오드가 손상받기 바로 전 전류로서 이 범위 내에서의 전압을 이용하게 된다.

[그림 3] 동작 저항
[그림 2]에서는 다이오드의 기호 및 n-Si에 Al을 접촉하여 제작한 소자의 특성을 나타낸 것이다. 이 제너 전압 Vz는 보통 4~30[V] 범위의 것이 제작되고 있다. 전류는 허용온도에서 정해지지만 보통 10[mA]를 흘린 지점의 교류에 대한 동작 저항은 [그림 3]와 같이 7[V]정도에서 최소로 된다. Vz의 온도 변화는 [그림 4]과 같이 Vz에 따라 온도 계수가 변화하며 8[V] 정도에서 0.00018[V/oC]이다.

2. 제너항복이란? (출처 : 두산세계대백과)
p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 것에 역전압(逆電壓)을 걸면 미약한 포화전류가 흐르는데, 역전압을 크게 해가면 갑자기 전류가 늘기 시작하는 현상을 일반적으로 pn접합 항복이라 하고, 그 중에서 p형 반도체의 원자가전자띠[原子價電子帶]에 있는 전자가 엷은 공극층(空隙層)을 빠져나가 n형 반도체에 달하는
[그림 4] 온도 계수
양자역학적 터널효과에 의한 것을 제너 항복이라 한다.

3. 제너전압을 측정하는 방법
일단 제너전압보다 높은 전압을 나오는 전원과 멀티메터를 사용하여 적당한 저항(1-10k옴)과 제너다이오드를 연결하고 제너다이오드에 걸리는 전압을 측정하면 된다. (제너의 방향은 반대방향으로 사용한다.)
일반 다이오드 같은 경우 띠가 있는 부분이 - 가 되지만 제너다이오드는 띠의 부분이 +가 되도록 연결해야 한다. 반대로 연결하면 일반다이오드와 같이 0.7V 의 전압이 걸리기 때문이다.(일반다이오드의 순방향전압과 동일함)

4. 제너다이오드의 응용
제너다이오드는 정전압이 필요한 부분과 전압강하가 필요한곳에 사용된다.

<정전압 사용>
AC를 브릿지회로로 정류하여 DC로 만들었을 때 고정된 DC 전압이 나오는 것이 아니라 입력되는 AC 전압에 따라 출력되는 DC 전압이 변화한다. 이런것을 방지하기위해 전압을 안정화 시켜야 할 때 제너다이오드가 사용된다 (정전압IC : 78xx, 79xx)

<전압강하 사용>
기본전압이 5V 동작되는 회로 내에 3V로 동작되는 부품이 있을 경우, 2V제너다이오드를 5V라인에 직렬로 연결하여 3V를 다운된 전압을 부품에 공급해 주는 방식으로 사용한다.

5. 제너다이오드에 직렬 저항을 연결하는 이유
앞에서 말한바와 같이 제너다이오드의 특성은, 작은 역전압을 걸때에는 불통상태에 있다가 특정 전압 이상이 걸리면 갑자기 흐르는 전류가 증가하여 제너다이오드 양단의 단자 전압을 특정 전압 보다 높아지지 않도록 하는 특성을 가진다. 다만 제너다이오드가 손상되지 않고 버틸 수 있는 전류의 양은 제한되어 있고, 역전류를 적당히 제한 할 수 있다면, 역방향의 정전압 유지하는 특성도 유지한 체 제너다이오드를 재사용할 수 있다.
역전류를 제한하지 않아 제너다이오드가 견디지 못하는 전류 이상이 흐르면 제너다이오드는 고열로 손상되어 대개는 도통 상태에 이르러 재사용이 불가능하게 된다.
제너다이오드가 역방향 정전압 특성을 가지고 있고, 그 특성을 이용하려고 제너다이오드를 사용하지만, 제너다이오드의 용도는 정확한 전압을 검출하는 정도의 용도로 만 쓰인다. 저항이 직렬로 제너다이오드와 연결되어 있다면, 역전압이 어느 정도 높아지더라도 직렬 저항에 의해 역전류값이 제한되어 제너다이오드 양단에는 일정한 역방향의 정전압이 유지되고 검출된다.

6. 실험순서
1. 역바이어스 전압-전류 특성 실험

실험책의 p.22 [그림2-4]를 참고하여 회로를 꾸민
뒤 VAA=0 일 때 스위치를 닫고 전류 I를 측정한다.
↓
VAB값이 [표 2-1]처럼 바꿔지도록 VAB의 출력값을 조절하면서
전류 I를 측정하고 Rz(Rz=VAB/I)값을 계산하라

↓

전류 값이 표에서 제시한 값이 나오도록 VAA출력을 조절하고
다이오드에 걸리는 전압 VAB를 측정하고 표에 기록한다.
Rz값은 계산하여 작성한다.

2. 순바이어스 전압-전류 특성 실험

회로의 스위치를 개방하고 전원출력을 0V로 한 다음 다이오드를 반대로 연결한다.

↓

VAB값을 표와 같이 조절하면서 전류 I값과 순방향 저항RF(RF=VAB/I)를 계산한다.

3. 정전압 소자로의 제너 다이오드

[그림2-5]처럼 회로를 꾸미고 스위치를 닫는다. 해당 전류가 될 때까지 VAA를 조절하고 측정하여 표를 작성한다.

↓

VAB의 ± 0.1V 편차 범위 내로 일정히 유지되는 VAA 가변범위를 결정하고 기록한다. 이 범위에서 Iz와 Ir의 변화를 측정하고 기록한다.

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