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2018.05.10 Si 파워 디바이스

다이오드란? – 쇼트키 배리어 다이오드의 특징

Si 다이오드란?

본 페이지에서는 쇼트키 배리어 다이오드 (이하 SBD)의 특징과 어플리케이션에 관해 설명하겠습니다.

Si-SBD의 특징

앞서 설명한 바와 같이, Si-SBD는 PN 접합이 아니라, 실리콘과 배리어 메탈이라는 금속과의 접합 (쇼트키 접합)에 의한 쇼트키 장벽을 이용하는 다이오드입니다. Si-SBD의 특성은 배리어 메탈의 종류에 따라 달라집니다. 그리고 그 특성의 차이에 따라 어플리케이션에 대한 적합성 여부가 달라집니다. 하기 표는 배리어 메탈의 종류에 따른 특징과 각각에 적합한 어플리케이션을 정리한 것입니다. 표 안의 「×」 표기는 다른 종류에 비해 열악하거나, 적합하지 않다라고 이해하여 주십시오.

Si_1-3_struc

대표적인 배리어 메탈로서 티타늄, 몰리브덴, 플래티늄이 있습니다.

티타늄을 사용한 SBD는 VF가 매우 낮다는 점이 특징이지만, 역방향의 리크 전류 IR이 다른 종류에 비해 높은 편입니다. 따라서, 발열이 크고, 주위가 고온 조건일 경우 적합하지 않습니다. 뒤에서 설명하겠지만, 열 폭주가 발생하기 쉬운 경향이 있습니다. 어플리케이션으로는 VF가 낮으므로 도통 손실이 적고 전압 강하가 작아, 배터리 구동 회로에 적합합니다.

몰리브덴을 사용한 SBD는 VF와 IR의 밸런스 타입입니다. DC/DC 컨버터 회로에 자주 사용됩니다.

플래티늄을 사용한 SBD는 IR이 매우 낮고, 발열도 적으므로 고온에서의 사용에 적합합니다. 따라서 자동차기기에 응용 시, 최적입니다.

기타 다이오드는 범용 PN 접합 정류 다이오드입니다. IR이 낮으며, 대부분의 경우 무시할 수 있는 수치입니다. 이에 비해 Si-SBD의 IR은 무시할 수 없는 수치이므로, 이는 Si-SBD 사용 상 중요한 포인트입니다.

하기 그래프는 표에서 ○ 및 △로 표기한 각 SBD의 특성을 구체적으로 나타낸 것입니다. 예를 들어 티타늄은 VF가 매우 낮지만, IR은 높다는 점을 알 수 있습니다.

Si_1-3_char

Si-SBD의 열 폭주

이제 Si-SBD 사용 시에 중요한 검토 사항인 열 폭주에 대해 설명하겠습니다.

열 폭주는 발열에 의해 다이오드의 Tj가 최대 정격을 초과하여, 최악의 경우 파괴에 이르는 현상입니다. 앞서 기술한 바와 같이 Si-SBD의 IR에 의한 손실은 무시할 수 없습니다. 발열은 IR과 VR (역방향 전압)의 곱, 즉 리크 전류에 의한 역전력 손실에 열 저항을 곱한 것입니다. 이는 보통의 열 계산과 동일합니다. 따라서, IR이 큰 티타늄의 SBD가 가장 불리합니다. 또한, IR은 VR이 높아지면 증가하는 경향이 있으므로, 온도가 상승하면 증가하는 플러스 온도 특성을 지닙니다 (관련 설명 참조). 자기 발열 (또는 주위온도의 상승)에 따라 Tj가 상승하여 IR이 증가하고, 또 발열하여 IR이 증가한다는 열 폭주 현상이 발생합니다. 이는 방열량보다 발열량이 크다는 조건일 때입니다.

열 폭주를 방지하기 위해서는 제반 조건에 따른 발열이 있어도, 이를 방열할 수 있는 충분한 열 설계가 필요합니다. 하기는 열 폭주에 관한 포인트입니다.

  • IR에서 기인하는 발열로 인한 열 폭주는 다이오드를 파괴에 이르게 한다.
  • 발열량 < 방열량이 되도록 충분한 열 계산, 방열 설계가 필요하다.
  • Tj가 Tj max를 초과해서는 안된다. : Tj = Ta+발열
  • 발열 = 열 저항 (θja) × 전류 (IR) × 전압 (VR)
  • 방열은 패키지, 실장 기판, 주위 온도에 따라 달라지므로, 검증이 필요하다.

VF와 IR에 따른 어플리케이션 이미지

하기는 다이오드의 특성에 따라 적합한 어플리케이션의 이미지입니다. 참조하여 주십시오.

Si_1-3_appli

키 포인트

・Si-SBD의 특성은 배리어 메탈에 따라 달라진다.

・Si-SBD의 IR은 무시할 수 없는 레벨임을 인식해 둔다.

・열 폭주를 발생시킬 가능성이 있으므로 충분한 열 설계 검증을 실시한다.

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