다이오드 커트인 전압 0.7 V는 어디서 나올까
PSpice 데이터와 실제 측정값으로 '켜지는 전압'의 정체를 확인합니다.
실리콘 다이오드는 "0.7 V부터 켜진다"고 배웁니다. 그런데 전류-전압 곡선을 직접 그려 보면 0.7 V에서 갑자기 꺾이는 점은 없습니다. PSpice 다이오드 모델로 구한 데이터를 지수 함수로 맞춰 보면 이유가 보입니다.
1. 데이터와 지수 모델
| 다이오드 전압 | 전류 | 모델 값 |
|---|---|---|
| 300 mV | 4.91 µA | 4.92 µA |
| 400 mV | 34 µA | 34.4 µA |
| 450 mV | 91 µA | 91 µA |
| 520 mV | 357 µA | 355 µA |
| 580 mV | 1.14 mA | 1.14 mA |
| 620 mV | 2.52 mA | 2.49 mA |
| 650 mV | 4.48 mA | 4.46 mA |
| 680 mV | 8.05 mA | 7.99 mA |
| 700 mV | 11.8 mA | 11.8 mA |
| 720 mV | 17.4 mA | 17.4 mA |
| 740 mV | 25.5 mA | 25.7 mA |
| 760 mV | 37.3 mA | 37.9 mA |
12개 점이 모두 아래 한 식에 1.6% 안으로 맞습니다.
로그 회귀로 구한 값은 nVT = 51.4 mV(이상 계수 n ≈ 1.99), IS = 14.4 nA입니다.
2. 꺾이는 점이 없는 이유
지수 함수라서 전압이 118 mV 오를 때마다 전류가 10배가 됩니다. 이 비율은 300 mV에서도 700 mV에서도 같습니다. 선형 눈금 그래프에서 0.6~0.7 V 부근이 "꺾여" 보이는 것은 그 근처에서 전류가 mA 단위가 되어 눈에 띄기 시작하기 때문입니다. 같은 데이터를 두 가지 눈금으로 그려 보면 바로 보입니다(점: PSpice와 실측, 선: 지수 모델).
3. 커트인 전압은 전류로 정해진다
| '켜졌다'고 보는 전류 | 그때의 전압 |
|---|---|
| 10 µA | 336 mV |
| 100 µA | 455 mV |
| 1 mA | 573 mV |
| 10 mA | 692 mV |
| 100 mA | 810 mV |
"켜졌다"를 1 mA로 보면 약 573 mV, 10 mA로 보면 약 692 mV입니다. 교재의 0.6~0.7 V는 보통 회로에서 흐르는 수 mA~수십 mA 전류에 해당하는 값입니다. 전류가 더 크거나 온도가 낮으면 조금 더 높아집니다.
직접 해 보기: 같은 곡선, 다른 눈금
위 지수 모델과 PSpice·실측 점을 선형 또는 로그 눈금으로 그립니다. '켜졌다'고 볼 전류를 고르면 그때의 전압이 나옵니다.
- 그 전류에서 전압 (모델)
- 573 mV
- 그 전류에서 전압 (실측)
- 600 mV
- 전류 10배당 전압
- 118 mV
- 선형 눈금에서 꺾여 보이는 곳
- 609 mV
해 볼 것: 선형 눈금에서 세로축 최대를 바꾸면 '꺾이는 점'이 따라 움직입니다. 로그로 바꾸면 꺾임이 사라지고 곧은 직선이 됩니다. 기준 전류를 10배씩 바꾸면 전압은 매번 같은 만큼씩 오릅니다.
4. 반파 정류회로와 연결하기
같은 실험의 반파 정류 시뮬레이션에서 입력 첨두 5.00 V일 때 출력 첨두는 4.35 V로, 다이오드에서 0.65 V가 빠졌습니다. 1 kΩ 부하에 첨두 4.35 mA가 흐를 때 모델로 구한 다이오드 전압은 649 mV입니다. 정류회로 계산에 다이오드 전압 강하 0.65 V를 쓰는 근거가 이것입니다. 커패시터를 달면 충전 순간에 전류가 커져 전압 강하도 조금 더 커집니다. 이어지는 계산은 정류회로 리플 계산기에서 할 수 있습니다.
5. 실제 다이오드로 재 보면
같은 실험을 실제 부품으로 측정했습니다. 다이오드 전압과 100 Ω 저항(R1) 전압, 전류계 값을 함께 쟀습니다.
| 목표 | 실제 VD | 전류계 | VR1 ÷ 100 Ω | PSpice (목표 전압) |
|---|---|---|---|---|
| 목표300 mV | 실제 VD300.0 mV | 전류계720 nA | VR1 ÷ 100 Ω730 nA | PSpice (목표 전압)4.91 µA |
| 목표400 mV | 실제 VD408.9 mV | 전류계11.8 µA | VR1 ÷ 100 Ω11.9 µA | PSpice (목표 전압)34 µA |
| 목표450 mV | 실제 VD450.6 mV | 전류계34.8 µA | VR1 ÷ 100 Ω35.6 µA | PSpice (목표 전압)91 µA |
| 목표520 mV | 실제 VD524.8 mV | 전류계203 µA | VR1 ÷ 100 Ω197 µA | PSpice (목표 전압)357 µA |
| 목표580 mV | 실제 VD581.9 mV | 전류계681 µA | VR1 ÷ 100 Ω659 µA | PSpice (목표 전압)1.14 mA |
| 목표620 mV | 실제 VD625.8 mV | 전류계1.7 mA | VR1 ÷ 100 Ω1.64 mA | PSpice (목표 전압)2.52 mA |
| 목표650 mV | 실제 VD647.3 mV | 전류계2.68 mA | VR1 ÷ 100 Ω2.6 mA | PSpice (목표 전압)4.48 mA |
| 목표680 mV | 실제 VD681.1 mV | 전류계5.54 mA | VR1 ÷ 100 Ω5.41 mA | PSpice (목표 전압)8.05 mA |
| 목표700 mV | 실제 VD700.9 mV | 전류계8.52 mA | VR1 ÷ 100 Ω8.34 mA | PSpice (목표 전압)11.8 mA |
| 목표720 mV | 실제 VD720.9 mV | 전류계13.3 mA | VR1 ÷ 100 Ω13 mA | PSpice (목표 전압)17.4 mA |
| 목표740 mV | 실제 VD739.7 mV | 전류계20.3 mA | VR1 ÷ 100 Ω19.9 mA | PSpice (목표 전압)25.5 mA |
| 목표760 mV | 실제 VD759.6 mV | 전류계32.5 mA | VR1 ÷ 100 Ω31.7 mA | PSpice (목표 전압)37.3 mA |
- 기울기는 거의 같다: 0.2 mA 이상에서 실측 곡선은 전류 10배당 98~110 mV로, 모델의 118 mV와 비슷합니다. 지수 관계는 실제 부품에서도 그대로입니다.
- 같은 전류에 전압이 조금 더 든다: 1 mA에서 실측 600 mV(모델 573 mV), 10 mA에서 708 mV(모델 692 mV)입니다. 부품과 온도가 모델과 다르면 수십 mV 차이는 흔합니다.
- R1은 100 Ω이 아니었다: mA 구간에서 전류계 값이 VR1 ÷ 100 Ω보다 꾸준히 2~4% 컸습니다. VR1 ÷ 전류계로 구한 실제 저항은 약 97.6 Ω으로, ±5% 허용오차 안입니다. 이런 차이를 나눠 보는 방법은 전류계 가이드에 정리해 두었습니다.
반파 정류회로도 실측했습니다. 입력 첨두 5.065 V에서 출력 첨두는 4.24 V로, 다이오드 쪽에서 0.83 V가 빠져 시뮬레이션(0.65 V)보다 컸습니다. 위에서 본 부품 차이(수십 mV)만으로는 설명되지 않으니, 입력 전압을 잰 위치나 신호 발생기의 출력 저항(보통 50 Ω) 같은 측정 조건도 함께 의심해 볼 만합니다.
더 흥미로운 건 입력을 488 mV로 줄였을 때입니다. 출력은 40 mV뿐이었습니다. 다이오드가 448 mV를 가져갔는데, 위 표에서 450 mV일 때 흐르는 전류는 34.8 µA에 불과합니다. 다이오드 하나로는 0.5 V 안팎의 작은 신호를 거의 정류하지 못한다는 뜻이고, 작은 신호를 정류할 때 OP앰프로 만든 정밀 정류회로를 쓰는 이유입니다.
6. 보고서에 쓸 때
- 커트인 전압을 적을 때는 기준 전류를 함께 적으세요. 예: "I = 1 mA에서 0.57 V".
- 세로축을 로그 눈금으로 그리면 직선이 되고, 기울기로 이상 계수 n을 구할 수 있어 고찰이 훨씬 구체적이 됩니다.
LED도 같은 원리라 색마다 순방향 전압이 다릅니다. LED 직렬 저항은 LED 저항 계산기, 역방향 항복을 쓰는 다이오드는 제너 다이오드 계산기를 보세요.