쇼트키 다이오드, 제너와 일반 PN 다이오드와 다른 점

정원 수도 배관에는 쓰임이 다른 밸브가 세 종류쯤 달려 있습니다. 물이 거꾸로 흐르지 않게 막는 일반 체크 밸브, 아주 가벼운 힘에도 열리고 재빨리 닫히는 체크 밸브, 그리고 압력이 일정 수준을 넘으면 일부러 열려 물을 빼내는 안전 밸브가 그 셋입니다.

회로의 다이오드도 이 세 가지 역할로 나뉩니다. 이 글에서 다룰 쇼트키 다이오드와 제너 다이오드, 일반 PN 다이오드는 모두 한 방향으로 전류를 흘린다는 점은 같지만 어디서 장벽을 만들고 어느 방향의 어떤 현상을 쓰느냐가 완전히 다릅니다. 밸브는 기계적 부품이고 다이오드는 전기장과 에너지 장벽으로 동작한다는 차이는 염두에 두어야 합니다.

세 다이오드가 갈라지는 지점

세 소자를 가르는 질문은 두 가지입니다. 하나는 장벽을 PN 접합으로 만드느냐 금속과 반도체의 접촉으로 만드느냐이고, 다른 하나는 평소 순방향 쪽을 쓰느냐 역방향의 항복 현상을 쓰느냐입니다.

일반 PN 다이오드와 쇼트키 다이오드는 순방향의 정류를 쓰는 소자이고, 두 소자의 차이는 장벽의 종류에서 나옵니다. 제너 다이오드는 구조는 PN 접합이지만 역방향 항복을 쓰도록 도핑과 폭을 조절한 소자입니다. 이렇게 보면 세 소자는 서로 경쟁하는 제품이 아니라, 각자 다른 문제를 풀기 위한 도구입니다.

일반 PN 다이오드와 소수 캐리어의 느린 꼬리

PN 접합에 순방향 전압을 걸면 N쪽 전자는 P쪽으로, P쪽 정공은 N쪽으로 넘어가 상대편 영역에서 소수 캐리어(Minority Carrier)가 됩니다. 이 소수 캐리어들은 곧바로 사라지지 않고 일정 시간 접합 근처에 쌓여 있습니다. 실리콘 다이오드는 이 구간에서 대체로 0.6에서 0.7 V 정도의 순방향 전압을 보입니다.

문제는 스위치를 끌 때 생깁니다. 전압의 방향을 갑자기 뒤집어도 쌓여 있던 소수 캐리어가 모두 빠져나가거나 재결합할 때까지 역방향으로 전류가 한동안 흐르는데, 이 시간을 역회복 시간(Reverse Recovery Time, trr)이라 합니다. 소자에 따라 수 ns에서 수 µs까지 폭넓게 달라서, 주파수가 높은 스위칭 회로에서는 이 시간이 손실과 잡음의 원인이 됩니다.

쇼트키 다이오드, 금속과 반도체 사이의 장벽

쇼트키 다이오드는 N형 반도체 위에 금속을 직접 접촉시켜 만듭니다. 금속과 반도체의 페르미 준위가 다르기 때문에 접촉면에 에너지 장벽이 생기고, 그 높이를 쇼트키 장벽 높이(Schottky Barrier Height, φ_B)라고 합니다. 이상적으로는 금속의 일함수와 반도체의 전자 친화도 차이로 정해지지만, 실제로는 표면 준위 때문에 금속의 종류에 덜 민감하게 정해지기도 합니다.

핵심은 이 소자에서 전류를 나르는 것이 오직 다수 캐리어인 전자라는 점입니다. 소수 캐리어를 주입하지 않으니 쌓여 있던 전하를 치울 필요가 없고, 스위칭이 훨씬 빠릅니다. 장벽도 PN 접합보다 낮아서 순방향 전압이 대체로 0.2에서 0.4 V 정도로 낮게 나타납니다. 값은 금속과 전류에 따라 차이가 큽니다.

대신 대가가 있습니다. 장벽이 낮다는 것은 열을 받은 전자가 장벽을 넘어 역방향으로 새어 나가기 쉽다는 뜻이고, 역방향 누설 전류가 크고 온도에 민감합니다. 열이온 방출 이론에서 역포화 전류는 exp(−qφ_B / kT)에 비례하므로, 장벽이 0.1 eV 낮아지면 300 K에서 exp(0.1 / 0.0259) ≈ e^3.86 ≈ 48배 커집니다.

일반 PN 접합의 역포화 전류는 밴드갭에 해당하는 exp(−Eg / kT)에 가까운 지수를 따르기 때문에, 장벽이 밴드갭보다 낮은 쇼트키는 누설이 구조적으로 더 큽니다. 실리콘 쇼트키는 견딜 수 있는 역전압도 대체로 수십 V에서 100 V 안팎으로 낮은 편이고, 높은 전압에는 SiC 같은 넓은 밴드갭 재료를 쓴 쇼트키가 수백 V에서 kV급까지 나와 있습니다.

제너 다이오드, 일부러 역방향 항복을 쓰는 소자

일반 다이오드는 역방향 전압이 한계를 넘으면 전류가 급격히 늘어나는 항복(Breakdown)을 일으킵니다. 대부분 소자에서는 피하고 싶은 현상이지만, 제너 다이오드는 이 구간에서 전압이 거의 일정하게 유지되는 성질을 이용합니다. 전류가 크게 변해도 양 끝 전압이 거의 변하지 않으므로 기준 전압이나 전압 제한용으로 쓰입니다.

항복에는 두 가지 메커니즘이 있습니다. 도핑이 높아 공핍층이 얇을 때는 강한 전기장이 가전자대 전자를 전도대로 직접 건너게 하는 밴드 간 터널링(좁은 의미의 제너 효과)이 일어나고, 도핑이 낮아 공핍층이 넓을 때는 가속된 캐리어가 충돌로 새 전자와 정공을 연쇄적으로 만드는 애벌란시 항복(Avalanche Breakdown)이 일어납니다.

대략 5 V 이하에서는 터널링이, 7 V 이상에서는 애벌란시가 주로 일어나고 그 사이에서는 둘이 섞입니다. 두 메커니즘은 온도에 반대로 반응하므로 항복 전압이 5에서 6 V 부근인 소자의 온도 계수가 0에 가깝다고 알려져 있습니다. 이름은 모두 제너 다이오드라 부르지만 높은 전압의 소자는 사실상 애벌란시를 쓰고 있다는 점이 흥미롭습니다.

회로에서 세 다이오드를 고르는 법

스위칭 전원의 출력단처럼 전류가 크고 주파수가 높은 곳에서는 낮은 전압 강하와 빠른 스위칭이 중요하므로 쇼트키 다이오드가 자주 쓰입니다. 교류를 직류로 바꾸는 입력단 정류처럼 높은 역전압을 견뎌야 하고 속도가 크게 중요하지 않은 곳에서는 일반 PN 정류 다이오드가 적합합니다.

제너 다이오드는 전류를 흘리는 소자가 아니라 전압을 붙잡는 소자입니다. 간단한 기준 전압, 과전압으로부터 입력 단자를 보호하는 클램프 같은 곳에 쓰이고, 항상 전류를 제한하는 직렬 저항과 함께 설계합니다. 정전기 같은 순간적인 충격에 대응하는 보호 소자도 같은 원리를 바탕에 두고 있습니다.

선택할 때 놓치기 쉬운 점

쇼트키는 순방향 전압이 낮은 장점이 가장 눈에 띄지만, 고온에서 누설이 급격히 늘어 열 폭주로 이어질 수 있습니다. 주변 온도가 높거나 역전압이 걸려 있는 시간이 긴 회로에서는 누설 전류를 반드시 확인해야 합니다.

제너 다이오드는 직렬 저항 없이 전압원에 바로 물리면 전류가 제한되지 않아 소자가 열로 파괴됩니다. 항복 자체는 전류를 제한하는 동안에는 되돌릴 수 있는 현상이지만, 허용 전력을 넘기면 영구 손상이 됩니다. 일반 PN 다이오드는 역회복 시간이 길어 고주파에서 손실과 노이즈를 만들 수 있으니, 빠른 복구 소자나 쇼트키로 바꾸는 판단이 필요한지 따져 봐야 합니다.

세 다이오드 비교 표

구분	일반 PN 다이오드	쇼트키 다이오드	제너 다이오드
장벽을 만드는 구조	P형과 N형의 접합	금속과 반도체(주로 N형)의 접촉	PN 접합, 항복 전압에 맞춘 도핑
주로 쓰는 영역	순방향 정류	순방향 정류	역방향 항복 영역
전류를 나르는 캐리어	전자와 정공, 소수 캐리어 주입	다수 캐리어(전자)	항복 시 전자와 정공이 함께 기여
순방향 전압(실리콘, 대략)	0.6에서 0.7 V	0.2에서 0.4 V	일반 다이오드와 비슷
스위칭 속도	역회복 시간이 있음	빠름, 저장 전하가 거의 없음	속도보다 전압 안정이 목적
역방향 특성의 약점	누설은 작고 정격 전압은 소자마다 다양	누설이 크고 온도에 민감	전류 제한 없이 항복에 두면 소자 파손
대표 용도	입력단 정류	스위칭 전원의 출력 정류, 보호	기준 전압, 전압 클램프

핵심 정리

쇼트키 다이오드는 금속과 반도체의 접촉으로 낮은 장벽을 만들어 순방향 전압이 낮고 빠르지만 누설이 크고, 일반 PN 다이오드는 소수 캐리어의 영향으로 느리지만 안정적입니다. 제너 다이오드는 정류가 아니라 역방향 항복에서 전압을 붙잡는 소자이므로 비교의 축이 다릅니다.

배관 비유로 돌아가면 세 소자는 각각 일반 체크 밸브, 가벼운 체크 밸브, 안전 밸브에 해당합니다. 소자를 고를 때는 속도, 손실, 역방향 조건 중 무엇이 가장 중요한지부터 정하는 것이 순서입니다.

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