Lecture 6. Diode Models

Diode Models

 

- Constant Voltage Model

 

이 모델의 결과는 아래와 같다.

 

이를 보기 위해 우선 차근차근 생각해 보려 한다.

 

Observation

1)

우선 위와 같이 저항만 있는 상태에서 옴의 법칙을 이용한 그래프 개형을 생각해 보려고 한다. V=IR에서 I=V/R로 기울기가 1/R인 그래프가 나오게 되는데 이때 R의 값이 작아지면 위의 그래프에서 초록색과 같이 점점 가파르게 올라갈 것 임을 알 수 있다.

 

2)

 

이번에는 저항에 추가로 Vb라느 전압원을 연결해 주었다. 이 상태에서 KVL을 이용하면

이렇게 식을 구할 수 있다. 여기서도 앞서 본 것처럼 Vx=Vb일 때는 다른 조건과 무관하게 전류 값이 0이다.그리고 R의 값을 감소시키면 기울기가 가팔라지고 있음을 알 수 있다.

 

3)

이번에는 첫 번째 회로에서 저항의 값을 증가시킬 때 기울기가 감소하고 있음을 확인해 볼 수 있다. 이때 기울기가 매우 크게 되면 거의 평형한 상태가 될 것이다.

 

그럼 이를 바탕으로 Constant model diode를 생각해보자. Constant model에서는 아래와 같은 그래프 개형을 그리고 있다.

 

Constant Model Diode

빨간색 그래프처럼 나오려면 저항의 값이 매우 작아야 하고 한편으로 Vd,on에서 0이 되려면 전압원을 필요로 한다. 즉 Vx가 Vd,on 보다 작은 경우 Diode의 전원이 꺼져있고 이는 OPEN 상태를 의미한다. Vx가 큰 경우 diode의 전원이 켜져 있고 이는 Short 상태이다. 이때 Vd,on까지 전류 값이 0이 나오려면 전압원도 추가로 생각해야 된다.

 

여기서 Vd,on=700-800mV이다.

 

- Ideal Diode Model

 

Ideal Diode는 Vx가 양수면 전류가 흐르고 Vx가 음수면 전류가 흐르지 않는 그래프 형태이다.

그냥 Vd,on이 0V 일 때의 그래프 형태로 생각하면 될 듯하다.

 

EX)

 

EX1)

위의 회로에서 전류 값을 constant model diode로 구해보자.

Constant model 일 때 현재 Forward bias 꼴이므로 short하고 전압원이 연결되어 있을 것이다.

이를 KVL을 이용해 식을 구해서 전류에 관 한식으로 나타낼 수 있다. 이는 앞서 우리가 exp로 구할 때와 다르게 수식으로 풀어줄 수 있다는 장점이 있다. 하지만 애초에 일반화시킨 model을 이용해 구한 식이므로 약간의 오차가 발생할 수 있다.

 

QUIZ)

이번에는 같은 회로에서 전류를 y축으로 Vb 를 x축으로 한 그래프를 생각해보려고 한다.

 

Vb 가 Vd,on 보다 전압이 낮으면 diode가 open 상태가 됨으로 전류가 흐르지 않는 상태가 된다. Vb 가 Vd,on 보다 전압이 높으면 diode가 short 상태가 됨으로 전류가 흐르게 되는데 이때 전류 값은 앞서 예시에서 구한 전류 식을 따라갈 것이다. 그 결과 아래와 같은 그래프를 얻게 된다.

 

EX)

 

이번에는 다이오드의 전압 Vd1을 구해보려고 한다.

우선 Vx가 Vd,on보다 작을 때의 경우를 생각해보면 OPEN 상태임으로 아래와 같은 회로가 된다.

이때는 open 상태이므로 전류가 흐르지 않는다. 하지만 이를 KVL을 이용해 나타내면

이라는 결과를 얻을 수 있다.

이번에는 Vx가 Vd,on보다 높을 때를 생각해보면 아래와 같이 나온다.

이 상태에서는 KVL을 굳이 안 써도 Vd1이 Vd,on임을 회로 이론을 배웠다면 충분히 알 수 있다.

 

- Reverse Break Down

Reverse break down 이란 Vd의 전압이 reverse bias일 때 나타나는 현상이다. 우리가 지금까지 배운 내용으로는 reverse bias 일때는 -Is 만큼의 소량의 전류가 흐르는 상태가 된다고 배웠다. 하지만 reverse bias 전압이 매우 강하게 되면 그래프에서 볼 수 있듯이 갑자기 전류량이 늘어나게 된다.

 

이러한 현상이 발생하는 이유로는 reverse bias로 인해 depletion region이 두꺼워지기 때문이다. 이로 인해 결핍 영역에서 발생하는 electric field가 매우 강해지게 되고 그 주변의 carrier들을 강제로 이동시킬 정도로 강해져서 전류가 강제로 흐르게 된다.

 

지금까지 우리는 reverse bias 상태에서 배운 걸 생각해보면 전압을 이용해 junction capacitance를 조절하는 특징을 생각해 볼 수 있다. 두번째로 Is가 소량으로 흐르게 된다. 마지막으로 전압이 높아지면 break down이 발생하는 것을 생각해 볼 수 있다.

 

Lecture 6.pdf

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V/R

 

윤