A diode remembers direction.
다이오드 I-V, Shockley 식 + 항복전압
Diode I-V curve, Shockley equation + breakdown voltage
다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는, 전자 회로의 일방통행로 같은 부품입니다. 콘센트의 교류를 전자기기가 쓰는 직류로 바꾸는 일도, LED가 빛을 내는 일도, 태양전지가 전기를 만드는 일도 모두 이 한 방향 통행의 원리에서 시작합니다.
A diode is a one-way valve for electric current. Converting mains AC to the DC that electronics need, lighting an LED, and generating electricity in a solar cell all begin with the same one-directional principle.
PN 접합 양단에 전압 V 를 걸었을 때 흐르는 전류는 $I = I_0 \left[ e^{qV/nkT} - 1 \right]$ 로 표현됩니다. Shockley 가 정리한 이상 다이오드 식이지요. 순방향(V>0)에서는 전압이 조금만 올라가도 지수함수를 따라 전류가 폭발적으로 늘고, 역방향(V<0)에서는 전류가 거의 0에 가깝게 막힙니다.
The current through a PN junction under applied voltage V is $I = I_0 \left[ e^{qV/nkT} - 1 \right]$ — Shockley's ideal-diode equation. In the forward direction (V>0), a small voltage increase drives an exponential surge in current. In reverse (V<0), current is nearly zero.
다만 역방향 전압이 항복 전압(breakdown, V_BR)을 넘어서면 막혀 있던 전류가 갑자기 터지듯 흐르기 시작합니다. 이 비대칭적인 거동이 정류기, LED, 태양전지, 전압 클램프 같은 거의 모든 반도체 소자의 출발점입니다. 아래에서 전압을 직접 바꿔 가며 전류가 어떻게 반응하는지 살펴보세요.
However, if the reverse voltage exceeds the breakdown voltage V_BR, the blocked current suddenly bursts through. This asymmetric behaviour — forward surge, reverse block, and breakdown — is the starting point for rectifiers, LEDs, solar cells, and voltage clamps. Adjust the voltage slider below and watch how the current responds.
하나의 식이 네 가지 얼굴을 만듭니다.
One equation, four operating regimes.
전류와 전압의 관계가 직선이 아니라 휘어진 곡선이라는 게 왜 그토록 중요할까요?
우리가 학교에서 처음 배우는 옴의 법칙은 전압과 전류가 정비례한다고 말합니다. 전압이 두 배가 되면 전류도 두 배가 되는 곧은 직선이지요. 그런데 다이오드는 이 상식을 보기 좋게 깨뜨립니다. 다이오드의 전류-전압 관계는 직선이 아니라 한쪽으로만 가파르게 솟구치는 비대칭 곡선입니다. 바로 이 "휘어짐" 덕분에 다이오드는 전류를 한 방향으로만 흘려보내는 일방통행로가 되고, 그래서 가장 단순하면서도 인류가 처음 만든 비선형 전자 소자로 불립니다.
이 곡선을 한 줄의 수식으로 정리한 사람이 트랜지스터의 아버지 윌리엄 쇼클리입니다. 1949년에 발표된 그의 다이오드 방정식은 지수함수 하나로 평형, 순방향, 역방향, 그리고 항복까지 네 가지 동작 영역을 모두 설명합니다. 놀라운 점은, 이 식에 등장하는 열전압 $kT/q$ 가 통계역학의 볼츠만 분포에서 곧장 나온다는 것입니다. 다시 말해 다이오드의 거동은 우연이 아니라, 온도가 정해 주는 캐리어의 에너지 분포가 그대로 전류 곡선으로 드러난 결과입니다.
Why does it matter that the current-voltage relationship is a curved exponential rather than a straight line?
Ohm's Law — the first electrical relationship most students learn — says voltage and current are directly proportional: a straight line. The diode shatters that expectation. Its current-voltage relationship is not a line but a sharply asymmetric curve that shoots steeply in only one direction. That curvature is precisely why a diode acts as a one-way street for current, making it the first nonlinear electronic device humanity ever built.
The man who captured this curve in a single equation was William Shockley, the father of the transistor. His 1949 diode equation uses a single exponential to describe all four operating regimes: equilibrium, forward conduction, reverse blocking, and breakdown. What is remarkable is that the thermal voltage $kT/q$ in the equation comes directly from the Boltzmann distribution of statistical mechanics. The diode's behaviour is not an accident — it is the energy distribution of carriers, set by temperature, printed directly onto an I-V curve.
Q1 순방향에서 전압을 60mV만 더 올렸을 뿐인데 왜 전류가 10배로 뛸까요?
Q1 Raising the forward voltage by just 60 mV makes the current jump 10-fold. Why?
Q2 막혀 있어야 할 역방향에서 항복이 일어나면 전류가 갑자기 터지는 이유는?
Q2 Why does the previously blocked reverse current suddenly burst through at breakdown?
다이오드에 흐르는 전류는 인가 전압에 대해 지수적으로 변하며, 식으로는 $I = I_0\,[\exp(qV/nkT) - 1]$ 로 씁니다. 여기서 $I_0$ 는 역방향 포화 전류로 실리콘에서는 대략 $10^{-12}$ 암페어 수준이고, $n$ 은 이상도 계수(보통 1에서 2 사이), $kT/q$ 는 상온에서 약 26밀리볼트인 열전압입니다. 단 하나의 식이 다이오드의 모든 거동을 담고 있습니다.
인가 전압이 켜짐 전압(실리콘은 약 0.7볼트, 게르마늄은 약 0.3볼트)을 넘어서면 지수항이 압도적으로 커지면서 전류가 가파르게 흐릅니다. 상온에서는 전압이 약 60밀리볼트 오를 때마다 전류가 열 배씩 늘어납니다. 이렇게 빠르게 켜지는 특성이 정류 작용의 바탕입니다.
전압을 거꾸로 걸면 지수항이 0에 가까워져 전류는 사실상 $-I_0$, 즉 아주 미약한 포화 누설 전류만 남습니다. 이상적인 다이오드라면 완전히 차단되지만, 실제로는 온도가 올라갈수록 누설 전류가 조금씩 커집니다.
역전압이 항복 전압 $V_{BR}$ 을 넘으면 막혀 있던 전류가 갑자기 폭증합니다. 얕은 영역에서는 제너 항복(터널링), 깊은 영역에서는 애벌런치 항복이 일어납니다. 항복 자체는 소자를 망가뜨릴 수도 있지만, 전압이 일정하게 유지된다는 성질을 활용하면 정밀한 기준 전압원이 됩니다.
Current through a diode varies exponentially with applied voltage: $I = I_0\,[\exp(qV/nkT) - 1]$. Here $I_0$ is the reverse saturation current (roughly $10^{-12}$ A for silicon), $n$ is the ideality factor (typically 1–2), and $kT/q$ is the thermal voltage (~26 mV at room temperature). One equation accounts for every operating regime of the diode.
Once the applied voltage exceeds the turn-on voltage (about 0.7 V for Si, 0.3 V for Ge) the exponential term dominates and current rises steeply. At room temperature current increases roughly tenfold for every 60 mV increase in voltage. This rapid turn-on behaviour is the foundation of rectification.
In reverse the exponential collapses toward zero, leaving only a tiny saturation leakage $I \approx -I_0$. An ideal diode would block completely, but in practice the leakage grows slowly with temperature.
When the reverse voltage exceeds the breakdown voltage $V_{BR}$, the blocked current abruptly surges. Zener breakdown (tunnelling) dominates at low voltages; avalanche breakdown dominates at higher voltages. Both are destructive if the current is not limited, but the near-constant voltage at breakdown is exploited deliberately in Zener diodes as a precise voltage reference.
다이오드는 강물 위에 놓인 비탈진 둑 같습니다. 물(전류)을 순방향으로 밀면 일정 높이(켜짐 전압)를 넘는 순간 둑이 사라진 듯 쏟아져 내리고, 거꾸로 밀면 둑이 더 높아져 물이 거의 넘지 못합니다. 다만 거꾸로 너무 세게 밀면(항복) 둑이 한꺼번에 무너지며 물이 터집니다. 그래서 다이오드는 전기를 한쪽으로만 흘려보내는 똑똑한 일방통행로가 됩니다.
Think of a diode as a steep dam over a river. Push water (current) the right way and once it crests the dam (turn-on voltage) it pours through freely. Push it the wrong way and the dam gets higher — almost nothing gets through. Push far too hard in reverse and the dam collapses all at once (breakdown). That is how a diode acts as an intelligent one-way street for electricity.
$$I = I_0\left[\exp\!\left(\frac{qV}{nkT}\right) - 1\right]$$ 순방향($V \gg kT/q$)에서 $-1$ 항을 무시하면 $\ln I \approx \ln I_0 + qV/nkT$ 로, 로그 전류가 전압에 선형입니다. 전류를 10배로 키우는 데 필요한 전압은 이상도 $n=1$ 일 때 $\Delta V = 2.303\,kT/q \approx 59.6\,\text{mV}$($T=300\,\text{K}$)이며, 이것이 흔히 말하는 "decade당 약 60mV"의 근원입니다.
포화 전류 $I_0$ 는 소수 캐리어의 확산으로 결정되며 $I_0 \propto n_i^2$ 에 비례합니다. 진성 캐리어 농도 $n_i$ 가 띠 간격에 따라 $n_i^2 \propto \exp(-E_g/kT)$ 로 변하므로, 띠 간격이 큰 물질(GaAs, GaN)일수록 $I_0$ 가 훨씬 작고 켜짐 전압이 높습니다. 반대로 온도가 오르면 $n_i^2$ 가 커져 누설이 늘고, 같은 전류를 흘리는 켜짐 전압은 대략 $-2\,\text{mV/K}$ 로 내려갑니다.
제너 항복은 밴드 간 터널링으로, 온도가 오르면 띠 간격이 줄어 항복 전압이 살짝 낮아지는 음의 온도계수를 보입니다. 반면 애벌런치 항복은 충돌 이온화에 의존하는데, 온도가 오르면 격자 산란이 늘어 캐리어가 충분히 가속되기 어려워지므로 항복 전압이 오히려 높아지는 양의 온도계수를 가집니다. 실리콘에서 두 기구의 경계는 대략 6볼트 부근입니다.
$$I = I_0\left[\exp\!\left(\frac{qV}{nkT}\right) - 1\right]$$ In forward bias ($V \gg kT/q$) the $-1$ term is negligible, giving $\ln I \approx \ln I_0 + qV/nkT$ — log current is linear in voltage. For $n=1$, a decade increase in current requires $\Delta V = 2.303\,kT/q \approx 59.6\,\text{mV}$ at $T=300\,\text{K}$, the origin of the "~60 mV per decade" rule.
$I_0$ is set by minority-carrier diffusion and scales as $I_0 \propto n_i^2$. Because $n_i^2 \propto \exp(-E_g/kT)$, wider-bandgap materials (GaAs, GaN) have a much smaller $I_0$ and higher turn-on voltages. Conversely, raising temperature increases $n_i^2$, raising leakage, and the turn-on voltage drops at roughly $-2\,\text{mV/K}$.
Zener breakdown is band-to-band tunnelling. As temperature rises, the bandgap narrows slightly, reducing the breakdown voltage — a negative temperature coefficient. Avalanche breakdown relies on impact ionisation; rising temperature increases lattice scattering, making it harder to accelerate carriers enough, so the breakdown voltage increases — a positive temperature coefficient. The crossover in silicon occurs at roughly 6 V.
다이오드의 비밀은 전류가 전압에 대해 지수적으로 휘어진다는 점 하나로 요약됩니다. 순방향에서는 켜짐 전압을 넘는 순간 전류가 솟구치고, 역방향에서는 거의 차단되며, 항복 영역에서는 다시 폭증합니다. 이 모든 거동을 쇼클리 방정식 한 줄이 설명하고, 그 뿌리에는 온도가 정하는 볼츠만 분포가 있습니다. 같은 곡선 위에서 물질과 동작 영역을 바꾸면 정류기, 제너, LED, 태양전지가 차례로 나타납니다. 다음 레슨에서는 순방향에서 빛을 내는 LED로 넘어가, 띠 간격이 어떻게 빛의 색이 되는지 살펴보겠습니다.
The entire story of the diode boils down to one thing: current varies exponentially with voltage. Forward bias past the turn-on voltage sends current surging; reverse bias blocks it; breakdown releases it again. All of this is captured in a single line — the Shockley equation — rooted in the Boltzmann distribution. Change the material and operating regime on the same curve and you get a rectifier, a Zener, an LED, or a solar cell. The next lesson turns to the LED, asking how a bandgap becomes a colour of light.
CHECK 스스로 확인하기
1. 다이오드의 I-V 관계가 옴의 법칙과 결정적으로 다른 점은?
→ 옴의 법칙은 직선(선형)이지만, 다이오드는 한 방향으로만 가파르게 솟는 지수 곡선(비선형, 비대칭)입니다.
2. 같은 전류를 흘릴 때 켜짐 전압이 더 높은 물질은 띠 간격이 클까요 작을까요?
→ 클수록 높습니다. 띠 간격이 크면 $n_i^2 \propto \exp(-E_g/kT)$ 가 작아져 $I_0$ 가 줄고, 같은 전류를 내려면 더 높은 전압이 필요합니다.
3. 역방향에서 전류가 거의 0인 다이오드를, 일부러 전류를 흘려 쓰는 경우는?
→ 항복 영역에서 전압이 일정한 점을 이용하는 제너 다이오드입니다. 기준 전압과 과전압 보호에 씁니다.
CHECK Self-check
1. What is the key difference between the diode's I-V relationship and Ohm's Law?
→ Ohm's Law is linear (a straight line); the diode follows a nonlinear, asymmetric exponential that rises steeply in only one direction.
2. For a given current, which material needs a higher turn-on voltage — one with a larger or smaller bandgap?
→ Larger bandgap. A bigger $E_g$ makes $n_i^2 \propto \exp(-E_g/kT)$ smaller, reducing $I_0$. More voltage is needed to drive the same current.
3. When would you deliberately let current flow through a diode in its reverse-blocking regime?
→ In a Zener diode, operated in breakdown where voltage stays nearly constant. Used for voltage references and overvoltage protection.