쇼트키 다이오드의 이해

쇼트키 다이오드의 이해

쇼트키 다이오드란?

[쇼트기 다이오드 구조] ​

 

쇼트키 다이오드는 금속과 반도체 간의 Barrier에 의해 다수 전자가 이동하는 현상인 쇼트키 배리어를 이용한 다이오드이다. 쇼트키 다이오드의 정확한 명칭은 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode)이다.

내부 저항이 작고 동작속도가 빨라서 PC의 전원 장치와 같이 고속, 고효율을 요구하는 환경에 많이 사용된다. Barrier Metal 두께로 인해 허용 역전압이 최고 100V정도로 대단히 낮다.

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쇼트키 다이오드 기호

 

쇼트키 다이오드 기호

 

쇼트키 다이오드의 특성

1. 순방향 전압 특성이 낮다.

반도체와 금속의 결합으로 생긴 쇼트키 장벽의 문턱전압이 일반다이오드보다 낮다. 일반 다이오드는 0.6~0.7V인데 반해, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.3V로 낮다. 전압강하가 낮기 때문에 회로의 전력 측면에서 효율이 좋고, 신호의 왜곡도 적다. 쇼트키 다이오드의 경우, 전원부 2차측의 정류회로에서 많이 사용되는데, 특히 대전류 정류시 효율이 배로 높아진다.

 

[정류다이오드와 쇼트키 다이오드 V-I 커브 비교]

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2. 스위칭 특성이 빠르다.

쇼트키 다이오드는 금속 + 반도체로 구성되어 있어 다수캐리어에 의해서 전류가 흐르고, 소수 캐리어에 의한 축척이 없어, 역회복시간이 매우 짧아지게 된다. 이런 특징으로, 고속 정류등의 빠른 스위치와 정류등에 사용된다.

 

3. 역방향 전압이 낮고 역방향 누설전류가 크다.

문턱 전압이 낮기 때문에, 역방향 누설전류가 크다. 그래서 열 설계를 잘못하면 열폭주가 발생한다는 결점이 있다. 또한 역방향 전압이 최대 100V정도로 낮다.

 

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쇼트키 다이오드 시험

디지털 멀티미터를 이용한 쇼트키 다이오드 시험

쇼트키 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드는 SMPS(스위칭모드 전원공급기) 회로나 스위칭 레귤레이터 등과 같은 고효율 정류에 사용되어 집니다. 위의 쇼트키 다이오드의 특징중 하나인 순방향 전압 값을 멀티미터로 측정할 것이다. 하지만 주의해야할 점은 일반 정류 다이오드와 쇼트키 다이오드를 오인하여, 일반 정류 다이오드 순방향 값(0.7V)으로 부품 고장여부를 판정하게 된다면, 정상인 쇼트키 다이오드를 고장이라고 판단할 수 있기 때문에 시험전에 다이오드 부품명을 확인하여, 쇼트키 다이오드임을 확인하고 시험해야 한다.

SMPS나 스위칭 레귤레이터에 많이 쓰이는 쇼트키 다이오드는 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5820, STPR10, SB530등이 있다.

 

디지털 멀티미터는 Agilent U1272A를 사용하고, 부품은 1N5817 쇼트키 다이오드로 시험한다.

[1N5817 쇼트키 다이오드]

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순방향 전압 측정

① 디지털 멀티미터의 가운데 레버를 다이오드 기호에 위치하도록 돌린다.

② 빨간색 프로브는 가장 오른쪽의 다이오드 기호가 있는 빨강 커넥터와 연결하고, 검정 프로브는 COM이라고 적힌 검정 커넥터와 연결한다.

③ 다이오드의 애노드(+) 리드에는 빨강 프로브의 클립과 연결하고, 캐소드(-) 리드에는 검정 프로브의 클립과 연결한다.

④ 화면에 표시되는 순방향 전압 값을 확인하여, 순방향 전압 값이 0.2~0.3V 사이에 측정되는지 확인한다.

[순방향 전압 측정]

 

순방향 전압 측정 결과

쇼트키 다이오드는 위의 설명과 같이 순방향 바이어스에서 약 0.2~0.3V 순방향 전압이 측정된다. 정류 다이오드의 경우, 약 0.7V측정된데 비해 쇼트키 다이오드는 많이 낮다. 간혹 쇼트키 다이오드인 것을 확인하지 않고, 일반 정류 다이오드 순방향 전압값과 비교하여 불량으로 교체 처리하는 경우가 있다. 이런 실수를 방지하기 위해 시험 전에 부품명과 어떤 다이오드인지 꼭 확인하고 시험해야 한다.

 

역방향 바이어스 측정

① 디지털 멀티미터의 가운데 레버를 다이오드 기호에 위치하도록 돌린다.

② 빨간색 프로브는 가장 오른쪽의 다이오드 기호가 있는 빨강 커넥터와 연결하고, 검정 프로브는 COM이라고 적힌 검정 커넥터와 연결한다.

③ 다이오드의 캐소드(-) 리드에는 빨강 프로브의 클립과 연결하고, 애소드(+) 리드에는 검정 프로브의 클립과 연결한다.

④ 화면에 0.L로 표시되는지 확인한다.

 

[역방향 바이어스 측정]

 

역방향 바이어스 측정 결과

역방향의 바이어스의 경우, 위의 결과 같이 0.L이 표시되어야지 정상이다. 1N5817의 경우, 밑의 데이터시트에 나와있는데로 DC 20V 역방향 전압이므로, DC 20V 이하에서는 쇼트키 다이오드가 전류가 흐르는 것을 차단하기 때문에 위와 같이 0.L로 표시되는 게 정상이다. 혹시 역방향에서 전압이 측정되면 다이오드는 고장이다.

[1N5817 Datasheet]

 

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다이오드 고장

다이오드가 고장으로 단락되었다면, 순방향 바이어스와 역방향 바이어스에서 전압이 모두 0.000V로 표시될 것이다. 고장이 아니라면, 위에 시험에서와 같이 역방향 바이어스에서 0.L로 표시되어야 한다.

또한 고장으로 다이오드가 개방되었다면, 순방향 바이어스와 역방향 바이어스 모두 0.L로 표시될 것이다.

 

 

V-I 커브 트레이서를 이용한 쇼트키 다이오드 시험

다이오드의 시험을 통해 이상유무를 판단하는 방법은 디지털 멀티미터로 측정하는 방법도 있지만, V-I 커브트레이서를 통해 다이오드 특성곡선을 측정하는 방법도 있다. V-I 커브는 전압(V)-전류(I) 특성 곡선으로 다이오드의 특성곡선을 확인함으로써 순방향 전압, 역방향 전압, 역방향 Leak 전류 등등 특성곡선으로 여러 가지 특성들을 확인할 수 있다.

여기서 ABI 사의 보드마스터8000 AICT 모듈에 포함된 V-I Tester를 통해 V-I 특성 곡선을 시험한다. 부품은 멀티미터로 측정하였던 동일한 부품인, 1N5817 쇼트키 다이오드이다.

 

V-I 특성 커브 측정 및 비교

[쇼트키 다이오드 측정 연결사진]

 

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보드마스터 장비 사양 확인

① 보드마스터의 전원버튼을 눌러 장비의 전원을 인가한다.

② 보드마스터의 운영 소프트웨어인 SYSTEM8 Ultimate를 연다.

③ 시작할 때 보이는 장비의 Diagnostic(자가진단)의 결과가 PASS이면 확인을 누른다.

④ 화면 왼쪽의 Navigation창에 V-I Tester를 선택하여, V-I Tester 창을 연다.

⑤ AICT 모듈 전면의 채널 1의 V-I 커넥터(노랑)은 다이오드의 애노드(+)와 클립케이블로 연결하고, 채널1의 접지 커넥터(검정)은 다이오드의 캐소드(-)와 클립 케이블로 연결한다.

⑥ settings에서 voltage를 4V pk-pk로 변경하고, Start버튼을 클릭하여 시험을 시작한다.

⑦ 순방향에서는 약 0.2V 정도에서 전류가 흐르는 것을 확인하고, 역방향에서는 전류가 거의 흐르지 않는 것을 확인한다.

⑧ Store 버튼을 클릭하여, 해당 커브를 저장한다. 저장된 커브는 다른부품(동일모델명)과도 비교시험을 통해 PASS/FAIL의 결과를 표시한다.

[쇼트키 다이오드 V-I 커브 측정 화면 4Vpk-pk]

 

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⑨ Voltage를 50V pk-pk로 변경하여 시험하여 -20V 이상에서의 역전압 특성을 확인한다.

[쇼트키 다이오드 V-I 커브 측정 화면 50Vpk-pk]

 

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V-I 특성 커브 측정 결과

V-I 커브를 측정하게 되면, 측정 전압내의 순방향전압과 역방향 전압을 모두 확인할 수 있다. 첫 번째 측정 결과, Voltage를 4Vpk-pk로 설정하였으므로, ±2V내의 V-I 특성 커브를 확인할 수 있다. 그래서 순방향 전압이 약 0.2V에서 측정되는 것을 확인할 수 있고, 역방향에서는 도통되는 것이 측정이 되지 않기 때문에 정상임을 확인할 수 있다.

Voltage를 50Vpk-pk로 변경했을 때는, ±25V 내의 V-I 특성 커브를 확인하게 되므로, 위의 데이터시트의 역방향 전압 최소 값이 -20V이므로, 순방향 전압 및 역방향 전압 특성까지 모두 확인할 수 있다. 그래서 순방향 전압은 측정화면과 같이, 0V보다 오른쪽으로 약간 옆에 V-I 특성이 측정되므로 정상임을 확인할 수 있다. 또한 역방향 전압은 최소 –20V이므로, –25V까지 전류가 흐르는 역방향 전압이 측정되지 않은 것을 확인할 수 있어, 정상임을 확인할 수 있다.

 

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고장 V-I 특성 커브

위 그림과 같이 다이오드가 고장으로 쇼트가 되거나 오픈이 되면 위와 같은 고장 커브가 측정이 된다. 쇼트형 고장은 쇼트와 같은 커브가, 오픈형 고장은 오픈과 같은 커브가 측정이 되고, 또한 역방향 특성이 낮아지거나, 역방향 누설전류가 매우 커지는 특성 고장이 있을 수도 있다.