다이오드

다이오드는 주로 한 방향(비대칭 전도율)으로 전류를 전도하는 2단자 전자 부품으로, 한 방향은 낮은(이상적으로 0) 저항을, 다른 방향은 높은(이상적으로 무한) 저항을 가진다.다이오드 진공관 또는 열이온 다이오드는 전자가 음극에서 플레이트로 한 방향으로만 흐를 수 있는 가열된 음극과 플레이트 두 개의 전극을 가진 진공관이다.오늘날 가장 많이 사용되는 반도체 다이오드는 반도체 재료의 결정체로 p–n 접합부가 두 개의 전기 단자에 연결되어 있다.^[4]반도체 다이오드는 최초의 반도체 전자 소자였다.결정광물과 금속의 접촉에 걸친 비대칭 전기전도 발견은 1874년 독일의 물리학자 페르디난드 브라운에 의해 이루어졌다.오늘날 대부분의 다이오드는 실리콘으로 만들어지지만 갈륨 비소와 게르마늄과 같은 다른 반도체 물질도 사용된다.^[5]

주요 기능

다이오드의 가장 일반적인 기능은 전류가 한 방향(다이오드의 전진 방향이라고 함)으로 흐르게 하면서 반대 방향(후진 방향)으로 흐르게 하는 것이다.이와 같이 다이오드는 전자 버전의 체크 밸브로 볼 수 있다.이 단방향 동작을 정류라고 하며, 교류(ac)를 직류(dc)로 변환하는 데 사용한다.정류기의 형태, 다이오드는 라디오 수신기의 무선 신호에서 변조를 추출하는 것과 같은 작업에 사용될 수 있다.

그러나 다이오드는 비선형 전류 전압 특성 때문에 이 단순한 온오프 작용보다 더 복잡한 동작을 할 수 있다.^[6]반도체 다이오드는 특정 임계 전압이나 컷인 전압이 전진 방향(다이오드가 전진 편향되었다고 하는 상태)에 존재하는 경우에만 전기를 전도하기 시작한다.전방 바이어스 다이오드의 전압 강하는 전류에 따라 약간만 변화하며 온도의 함수로서 온도 센서 또는 전압 기준으로 사용할 수 있다.또한 다이오드를 가로지르는 역전압이 고장 전압이라는 값에 도달하면 다이오드의 역방향 전류에 대한 고저항이 갑자기 낮은 저항으로 떨어진다.

반도체 다이오드의 전류-전압 특성은 반도체 소재와 제조 시 소재에 유입되는 도핑 불순물을 선택하여 맞춤 제작할 수 있다.^[6]이러한 기법은 많은 다양한 기능을 수행하는 특수 목적 다이오드를 만드는 데 사용된다.^[6]예를 들어 다이오드는 전압 조절(제너 다이오드), 고전압 서지(아발란치 다이오드)로부터 회로를 보호하기 위해, 무선 및 TV 수신기(분자 다이오드)를 전자적으로 튜닝하고, 무선 주파수 진동(터널 다이오드, Gunn 다이오드, IMMATT 다이오드)을 발생시키며, 빛을 내는 데 사용된다(발광 다이오드).터널, Gunn, IMMATT 다이오드는 음의 저항을 보이며, 이는 마이크로파 및 전환 회로에 유용하다.

진공과 반도체 모두 다이오드를 숏 노이즈 발생기로 사용할 수 있다.

역사

열이온(진공-튜브) 다이오드와 고체(반도체) 다이오드는 1900년대 초반에 무선 수신기 검출기로서 거의 동시에 별도로 개발되었다.^[7]1950년대까지 초기 포인트 콘택트 반도체 다이오드는 안정성이 떨어졌기 때문에 라디오에서 진공 다이오드를 더 자주 사용했다.또한 대부분의 수신 세트는 열전극 다이오드를 튜브에 쉽게 포함시킬 수 있는 증폭용 진공관(예: 12SQ7 이중 다이오드 트라이오드)을 가지고 있었으며, 진공관 정류기와 기체 충전 정류기는 반도체 다이오드(suc)보다 일부 고전압/고전류 정류 작업을 더 잘 처리할 수 있었다.h를 셀레늄 정류기(selenium cortificer)로서 그 당시에 사용 가능했다.

진공관 다이오드

1873년 프레데릭 거스리는 접지된 흰색 뜨거운 금속 공이 전기 스코프에 가까이 접근해 들어오면 양전하를 띤 전기 스코프를 방출할 수 있지만 음전하를 띤 전기 스코프는 방출하지 않는다는 것을 관찰했다.^[8][9]

1880년, 토마스 에디슨은 전구의 가열된 원소와 가열되지 않은 원소 사이의 단방향 전류를 관찰하였고, 후에 에디슨 효과라고 불리며, DC 전압계에 사용하기 위한 현상의 적용에 관한 특허를 받았다.^[10][11]

약 20년 후, John Ambrose Fleming(마르코니 회사의 과학 고문과 전 에디슨 직원)은 에디슨 효과가 전파 탐지기로서 사용될 수 있다는 것을 깨달았다.플레밍은 1904년^[12] 11월 16일(미국 특허 1905년 11월 803,684에 이어) 영국에서 최초의 진정한 열전 다이오드인 플레밍 밸브에 특허를 냈다.

진공관 시대에 걸쳐, 밸브 다이오드는 라디오, 텔레비전, 음향 시스템 및 계측기와 같은 거의 모든 전자 장치에 사용되었다.이들은 1940년대 후반 셀레늄 정류기 기술로 인해 서서히 시장 점유율을 잃었고, 1960년대에는 반도체 다이오드로 인해 점유율을 잃었다.오늘날 그것들은 과도 전압과 견고함을 견디는 그들의 능력이 반도체 소자에 비해 유리하게 해주는 몇 개의 고전력 어플리케이션과 악기 및 청각적 어플리케이션에서 여전히 사용된다.

솔리드 스테이트 다이오드

1874년 독일의 과학자 칼 페르디난드 브라운은 금속과 광물 사이의 접촉에 걸쳐 단측 전도를 발견했다.^[13][14]자가디쉬 찬드라 보스는 1894년 처음으로 전파를 탐지하는 데 크리스탈을 사용했다.^[15]결정검출기는 1903년 실리콘 결정검출기를 발명해 1906년 11월 20일 특허를 받은 그린리프 휘티어 피카드에 의해 무선전신을 위한 실용적인 장치로 개발됐다.^[16]다른 실험자들은 검출기로서 다양한 다른 광물들을 시도했다.반도체 원리는 이러한 초기 정류기의 개발자들에게 알려지지 않았다.1930년대에 물리학에 대한 이해가 진보했고 1930년대 중반 벨 전화 연구소의 연구원들은 마이크로파 기술에 적용하기 위한 결정 검출기의 가능성을 인정했다.^[17]Bell Labs, Western Electric, MIT, Purdue 및 영국의 연구원들은 2차 세계 대전 동안 레이더에 적용하기 위해 포인트 접촉 다이오드(결정 정류기 또는 결정 다이오드)를 집중적으로 개발했다.^[17]2차 세계대전 이후 AT&T는 미국을 가로지르는 전자레인지 타워에 이를 사용했으며, 21세기에도 많은 레이더가 이를 사용한다.1946년에 실바니아는 1N34 크리스털 다이오드를 제공하기 시작했다.^[18][19][20]1950년대 초에는 접속 다이오드가 개발되었다.

어원

발명 당시 비대칭 전도 장치는 정류기로 알려져 있었다.1919년, 테트로데스가 발명된 해, 윌리엄 헨리 에클레스는 '2'를 의미하는 그리스 뿌리의 di(Δί에서)와 '길'을 의미하는 오데(οδδ에서)에서 다이오드라는 용어를 만들었다.그러나 다이오드라는 단어는 물론 삼음, 사음, 오음, 육음도 멀티플렉스 전보의 용어로 이미 사용되고 있었다.^[21]

정류기

비록 모든 다이오드가 수리되지만, 정류기라는 용어는 보통 작은 신호 회로를 위한 다이오드와 구별하기 위해 전력 공급 응용을 위한 다이오드에 적용된다.

진공관 다이오드

열전 다이오드는 밀봉된 진공 유리 또는 음극과 플레이트라는 두 개의 전극이 들어 있는 금속 봉투로 구성된 열전밸브 장치다.음극은 간접적으로 가열되거나 직접 가열된다.간접 난방을 사용할 경우, 히터가 봉투에 포함된다.

작동 중에 음극은 약 800–1,000 °C(1,470–1,830 °F)의 적열로 가열된다.직접 가열된 음극은 텅스텐 와이어로 만들어지며, 외부 전압원에서 통과하는 전류에 의해 가열된다.간접적으로 가열된 음극은 니크롬 와이어로 형성되고 외부 전압 소스에서 공급되는 전류를 공급받는 인근 히터로부터의 적외선 방사선에 의해 가열된다.

음극의 작동 온도는 열전 방출이라고 불리는 과정인 진공으로 전자를 방출하게 한다.음극은 바륨과 스트론튬 산화물과 같은 알칼리성 흙 금속의 산화물로 코팅되어 있다.이것들은 낮은 작업 기능을 가지고 있는데, 이는 그들이 코팅되지 않은 음극보다 더 쉽게 전자를 방출한다는 것을 의미한다.

이 판은 가열되지 않고 전자를 방출하지 않고 흡수할 수 있다.

정류할 교류전압이 음극과 플레이트 사이에 가해진다.플레이트 전압이 음극에 대해 양수일 때 플레이트는 정전적으로 음극에서 전자를 끌어들이기 때문에 전자의 전류가 음극에서 플레이트로 관을 통해 흐른다.플레이트 전압이 음극에 대해 음극일 때는 플레이트에서 전자가 방출되지 않기 때문에 플레이트에서 음극으로 전류가 통과할 수 없다.

반도체 다이오드

포인트 콘택트 다이오드

포인트 콘택트 다이오드는 초기 결정 검출기 기술에서 벗어나 1930년대부터 개발되었으며, 현재는 일반적으로 3~30기가헤르츠 범위에서 사용되고 있다.^{[17][22][23][24]}점 접촉 다이오드는 반도체 결정과 접촉하는 작은 직경의 금속 와이어를 사용하며, 비용접 접촉형 또는 용접 접촉형이다.비용접 접촉 건설은 쇼트키 장벽 원칙을 이용한다.금속면은 반도체 결정과 접촉하는 작은 직경 와이어의 뾰족한 끝이다.^[25]용접 접촉형에서는 비교적 큰 전류를 장치를 통해 순간적으로 통과시킴으로써 제조 중 금속점 주위의 다른 N형 결정에서 작은 P 영역이 형성된다.^[26][27]점 접촉 다이오드는 일반적으로 접점 다이오드에 비해 캐패시턴스가 낮고 전방 저항이 높으며 역방향 누출이 크다.

접합 다이오드

p-n 접합 다이오드

p-n 접속 다이오드는 반도체, 보통 실리콘의 결정체로 만들어지지만 게르마늄과 갈륨 비소도 사용된다.여기에 불순물이 더해져 한쪽에는 n형 반도체라고 불리는 음전하 캐리어(전자)가 들어 있는 지역, 다른 한쪽에는 p형 반도체라고 불리는 양전하 캐리어(구멍)가 들어 있는 지역을 만든다.n형 물질과 p형 물질이 함께 연결되면 n에서 p측으로 전자가 순간적으로 흐르면서 두 물질 사이에 전하 캐리어가 없는 제3의 영역이 생긴다.이 부위는 전하 운반체(전자나 구멍)가 없기 때문에 고갈 영역이라고 불린다.다이오드의 단자는 n형 및 p형 영역에 부착되어 있다.p-n 접속점이라 불리는 이 두 지역 사이의 경계는 다이오드의 작용이 일어나는 곳이다.N측(음극)보다 P측(음극)에 충분히 높은 전위를 가하면 전자가 N형 측으로부터 P형 측으로 고갈 영역을 통과하여 흐를 수 있다.접점은 전위를 역방향으로 가했을 때 반대방향으로 전자의 흐름을 허용하지 않아 어떤 의미에서는 전기적 체크 밸브가 만들어진다.

쇼트키 다이오드

또 다른 형태의 접속 다이오드인 쇼트키 다이오드는 p-n 접속부가 아닌 금속-반도체 접합부에서 형성돼 캐패시턴스를 줄이고 스위칭 속도를 높인다.^[28][29]

전류-전압 특성

회로에서 반도체 다이오드의 동작은 전류-전압 특성 또는 I-V 그래프(아래 그래프 참조)로 나타난다.곡선의 형태는 서로 다른 반도체 사이의 p-n 연결점에 존재하는 소위 고갈층 또는 고갈 지역을 통한 전하 운반체의 운송에 의해 결정된다.p–n 접합부가 처음 생성되면 N 도핑 영역의 전도 대역(이동식) 전자는 전자가 "레콤빈"인 구멍의 모집단이 많은 P 도핑 영역으로 확산된다.이동 전자가 구멍과 재결합하면 홀과 전자가 모두 사라져 N 쪽에는 움직이지 않는 양전하 기증자(도판트), P 쪽에는 음전하 수용자(도판트)를 남긴다.p-n 접합부 주변은 충전 캐리어가 고갈되어 절연체 역할을 한다.

그러나 고갈 지역(고갈 폭이라고 함)의 폭은 한없이 커질 수 없다.각 전자-홀 쌍 재조합에 대해 N 도핑 영역에는 양전하 도판트 이온이 남고, P 도핑 영역에는 음전하 도판트 이온이 생성된다.재조합이 진행되어 더 많은 이온이 생성될 때, 감소구역을 통해 증가되는 전장이 발달하며, 이 전장은 느리게 작용한 다음 마침내 재조합을 멈추게 된다.이쯤 되면 고갈지대 전반에 걸쳐 '빌트인(built-in)' 잠재력이 존재한다.

역편향

내장 전위와 동일한 극성으로 다이오드에 외부 전압을 배치하는 경우, 고갈 구역은 절연체로 계속 작용하여 중요한 전류 흐름을 방지한다(예를 들어 빛에 의해 접합부에서 전자-홀 쌍이 활발하게 생성되는 경우는 제외한다. 포토다이오드 참조).이를 역편향현상이라고 한다.

전방 바이어스

그러나 외부 전압의 극성이 내장 전위와 반대일 경우 재결합이 다시 한 번 진행되어 p–n 접속점(즉, 접속점에서 상당한 수의 전자와 구멍이 재결합)을 통해 상당한 전류를 발생시킬 수 있다.실리콘 다이오드의 경우 내장 전위는 약 0.7V(게르마늄의 경우 0.3V, 쇼트키의 경우 0.2V)이다.따라서 내장 전압보다 크고 반대인 외부 전압을 인가하면 전류가 흐르며 외부 전방 바이어스가 주어졌기 때문에 다이오드가 "켜졌다"고 한다.다이오드는 일반적으로 전도가 정지하는 전방 "임계" 전압을 갖는다고 하는데, 이 전압의 위와 그 이하에서는 전도가 정지한다.단, 이는 전방 특성이 부드러우므로 근사치에 불과하다(위의 I-V 그래프 참조).

다이오드의 I-V 특성은 네 가지 작동 영역에 의해 대략적으로 추정될 수 있다.

1. 피크 역전압 또는 PIV를 넘어 매우 큰 역방향 바이어스에서는 일반적으로 장치를 영구적으로 손상시키는 전류의 큰 증가(즉, 많은 수의 전자와 구멍이 생성되고 p–n 접합부에서 멀어지는)를 일으키는 역방향파괴라는 과정이 발생한다.눈사태 다이오드는 의도적으로 그런 방식으로 사용하도록 설계되었다.제너 다이오드에서는 PIV의 개념이 적용되지 않는다.제너 다이오드는 도핑이 심한 p–n 접합부를 포함하고 있어 전자가 p형 물질의 발란스 대역에서 n형 물질의 전도 대역으로 터널링할 수 있어 역전압이 알려진 값(제너 전압이라고 함)으로 "클램핑"되고 눈사태가 발생하지 않는다.그러나 두 장치 모두 클램핑된 역전압 영역에서 견딜 수 있는 최대 전류와 전력에 제한이 있다.또한 어떤 다이오드에서든 포워딩 전도가 끝나면 짧은 시간 동안 역류가 흐른다.이 장치는 역류 전류가 멈출 때까지 완전한 차단 기능을 달성하지 못한다.
2. PIV보다 작은 바이어스의 경우 역류 전류는 매우 작다.일반 P-N 정류기 다이오드의 경우 마이크로암페어(μA) 범위에서 장치를 통과하는 역류 전류가 매우 낮다.단, 이는 온도에 따라 달라지며, 충분히 높은 온도에서 상당한 양의 역류(mA 이상)를 관측할 수 있다.전자가 마치 불완전한 절연체처럼 다이오드를 돌면서 발생하는 미세한 표면 누설 전류도 존재한다.
3. 소전류만 전도되는 작은 전방 바이어스에서는 이상적인 다이오드 방정식에 따라 전류 전압 곡선이 지수화된다.다이오드가 현저하게 전도되기 시작하는 확실한 전진전압이 있다.이를 무릎 전압 또는 컷인 전압이라고 하며 p-n 접합부의 장벽 전위와 동일하다.이것은 지수 곡선의 특징이며, 여기에 표시된 도표보다 더 압축된 전류 척도에서 더 선명하게 나타난다.
4. 더 큰 전방 전류에서 전류 전압 곡선은 벌크 반도체의 저항으로 지배되기 시작한다.곡선은 더 이상 기하급수적인 것이 아니라 직선에 대한 점근성이며, 그 기울기가 대량 저항이다.이 지역은 전력 다이오드에 특히 중요하다.다이오드는 고정 저항기와 직렬로 이상적인 다이오드로 모델링할 수 있다.

정격 전류로 작동하는 작은 실리콘 다이오드에서 전압 강하는 약 0.6~0.7V이다.이 값은 다른 다이오드 종류에 따라 다르다. - 스코트키 다이오드는 최저 0.2V, 게르마늄 다이오드는 0.25~0.3V, 적색 또는 청색 발광 다이오드(LED)는 각각 1.4V와 4.0V의 값을 가질 수 있다.^{[citation needed]}

높은 전류에서 다이오드의 전방 전압 강하가 증가한다.전력 다이오드의 경우 최대 정격 전류에서 1V ~ 1.5V의 감소가 일반적이다.

쇼클리 다이오드 방정식

쇼클리 이상 다이오드 방정식 또는 다이오드 법칙(양극 접합 트랜지스터 공동 발명자 윌리엄 브래드포드 쇼클리(William Bradford Shockley)의 이름을 따서 명명됨)은 이상적인 다이오드의 I-V 특성을 전방 또는 역방향 바이어스(또는 바이어스 없음)로 제공한다.다음과 같은 방정식을 관념성 인자인 n을 1과 동일하게 설정할 때 쇼클리 이상 다이오드 방정식이라고 한다.

${\displaystyle I=I_{\mathrm {S}}\왼쪽(e^{V_{\text{D}/(nV_{\text}/(nV_{\text}){\text}{\text}T})}-1\오른쪽)}$

어디에

나는 다이오드 전류,

I는_S 역방향 바이어스 포화 전류(또는 스케일 전류)이다.

V는_D 다이오드를 가로지르는 전압이며,

V는_T 열전압이고

n은 품질 계수 또는 때로는 방출 계수로도 알려져 있는 이상 계수다.이상 계수 n은 제조 공정 및 반도체 재료에 따라 일반적으로 1에서 2까지 다양하며(어떤 경우에는 더 높을 수 있지만), "이상적인" 다이오드의 경우 1로 설정된다(따라서 n은 생략되기도 한다).이데올로기 인수는 실제 트랜지스터에서 관찰된 불완전한 결합을 설명하기 위해 추가되었다.이 인자는 주로 충전 캐리어가 고갈 영역을 가로지르면서 통신사 재조합을 설명한다.

열전압 V는_T 300K에서 약 25.85mV이며, 기기 시뮬레이션 소프트웨어에서 일반적으로 사용되는 "실온"에 가까운 온도다.어떤 온도에서든 그것은 다음과 같이 정의되는 알려진 상수다.

${\displaystyle V_{\text{T}}}={\frac {kT}{q}\}$

여기서 k는 볼츠만 상수, T는 p-n 접합부의 절대온도, q는 전자(기본 전하)의 전하량이다.

역 포화 전류 I는_S 특정 장치에 대해 일정하지 않지만 온도에 따라 달라진다. 일반적으로 V보다_T 유의하므로 V는_D 일반적으로 T가 증가함에 따라 감소한다.

쇼클리 이상 다이오드 방정식 또는 다이오드 법칙은 다이오드의 전류를 발생시키는 유일한 과정이 표류(전기장), 확산, 열 재결합-생성(R–G)이라는 가정으로 도출된다(이 방정식은 위의 n = 1을 설정하여 도출된다).또한 고갈 부위의 R-G 전류가 미미하다고 가정한다.이는 쇼클리 이상 다이오드 방정식이 역분해 및 광자 보조 R–G에 관련된 공정을 설명하지 않는다는 것을 의미한다.또한 내부 저항으로 인해 높은 전방 바이어스에서의 I-V 곡선의 "레벨오프"는 설명하지 않는다.이념성 요인 n을 도입하면 재조합과 통신사 생성이 고려된다.

역방향 바이어스 전압에서 다이오드 방정식의 지수화는 무시할 수 있으며, 전류는 -I의_S 일정한(음) 역방향 전류 값이다.역분해 부위는 쇼클리 다이오드 방정식에 의해 모델링되지 않는다.

다소 작은 전방 바이어스 전압의 경우에도 열전압이 매우 작기 때문에 지수 값이 매우 크다.다이오드 방정식에서 감산된 '1'은 무시할 수 있으며 전진 다이오드 전류는 다음과 같이 근사치할 수 있다.

${\displaystyle I=I_{\text}S}e^{V_{\text{D}/(nV_{\text{\text})T}})}}$

회로 문제에서 다이오드 방정식의 사용은 다이오드 모델링 기사에 설명되어 있다.

소신거동작

포화 전압보다 작은 전방 전압에서 대부분의 다이오드의 전압 대 전류 특성 곡선은 직선이 아니다.전류는 $I{\displaystyle }$= ${\displaystyle {}_{}}$ S ${\displaystyle {}_{}{}^{}}$ ${\displaystyle {V{}_{}}^{}}$ ${\displaystyle {D_{}}^{}}$/${\displaystyle {}^{}}$(${\displaystyle n^{}}$ ${\displaystyle {{}_{}}^{}}$ ${\displaystyle {T_{}}^{}}$) ${\$ I$=I_{\text{$$S}e^{V_{\text{D}/(nV_{\text{\text})$$T}})}}}$은(는) 앞 절에서 언급한$$ 바와 같다.

검출기 및 믹서 애플리케이션에서 전류는 테일러의 시리즈로 추정할 수 있다.^[30]홀수 항은 믹서나 검출기의 통과 대역 밖에 있는 주파수 성분을 생성하기 때문에 생략할 수 있다.두 번째 파생상품이 아닌 조건도 두 번째 파생상품에 비해 작기 때문에 포함시킬 필요가 없다.^[30]원하는 전류 성분은 입력 전압의 제곱에 대략 비례하므로, 이 지역에서는 응답을 제곱법이라고 한다.^{[25]: p. 3}

역회수효과

p-n형 다이오드에서 포워딩 전도가 끝나면 짧은 시간 동안 역류 전류가 흐를 수 있다.접속부의 이동전하가 고갈될 때까지 장치는 차단능력에 도달하지 못한다.

큰 전류를 매우 빠르게 전환할 때 그 효과는 상당할 수 있다.^[31]다이오드에서 역회수 충전 Q를_r 제거하려면 일정량의 "역회수 시간" t_r(수십 나노초에서 수 마이크로초까지의 순서로)이 필요할 수 있다.이 복구 시간 동안 다이오드는 실제로 역방향으로 작동할 수 있다.이는 다이오드가 역방향 편향된 상태에서 짧은 시간 동안 역방향으로 큰 정전류를 발생시킬 수 있다.그러한 역류 전류의 크기는 작동 회로(즉, 직렬 저항)에 의해 결정되며 다이오드는 저장 위상에 있다고 한다.^[32]어떤 실제 상황에서는 이 비이상적 다이오드 효과로 인해 발생하는 손실을 고려하는 것이 중요하다.^[33]단, 전류의 슬루 레이트가 그리 심하지 않은 경우(예: 라인 주파수) 그 효과는 안전하게 무시할 수 있다.대부분의 어플리케이션에서, 그 효과는 또한 쇼트키 다이오드에도 무시할 수 있다.

저장된 전하가 고갈되면 역류 전류는 갑자기 중단된다. 이 급정지는 극히 짧은 펄스의 생성을 위해 스텝 복구 다이오드에 이용된다.

반도체 다이오드의 종류

위에서 설명한 대로 작동하는 정상(p–n) 다이오드는 보통 도핑된 실리콘이나 게르마늄으로 만들어진다.실리콘 파워 정류기 다이오드가 개발되기 전에, 큐폴 산화물과 후에 셀레늄이 사용되었다.이들의 낮은 효율은 훨씬 더 높은 전방 전압을 적용해야 했으며(일반적으로 "셀"당 1.4~1.7V, 고전압 정류기에 적용하기 위한 피크 역전압 정격을 증가시키기 위해 다수의 셀이 쌓였다), 후기 규실보다 훨씬 큰 대형 열제거원(흔히 다이오드의 금속 기질 확장)이 필요했다.동일한 전류 정격의 다이오드를 켜야 한다.모든 다이오드의 대부분은 CMOS 집적회로에서 발견되는 p–n 다이오드로 ^[34]핀당 2개의 다이오드와 많은 다른 내부 다이오드를 포함한다.

눈사태 다이오드

이는 역방향 바이어스 전압이 고장 전압을 초과할 때 역방향으로 작동하는 다이오드다.이것들은 전기적으로는 제너 다이오드(그리고 종종 실수로 제너 다이오드라고 불림)와 매우 유사하지만, 다른 메커니즘인 눈사태 효과에 의해 분해된다.이는 p-n 분기점을 가로질러 가해지는 역전기장이 눈사태를 연상시키는 이온화 파동을 일으켜 큰 전류를 일으킬 때 발생한다.눈사태 다이오드는 파괴되지 않고 잘 정의된 역전압에서 분해되도록 설계됐다.눈사태 다이오드(약 6.2V 이상의 역분해를 갖는)와 제너(Zener)의 차이는 전자의 채널 길이가 전자의 평균 자유 경로를 초과하여 채널을 통과하는 도중에 이들 사이에 많은 충돌이 발생한다는 것이다.두 유형 사이의 유일한 실제적인 차이점은 그들이 반대편 극성의 온도 계수를 가지고 있다는 것이다.

정전류 다이오드

이것들은 실제로 게이트가 소스로 단락된 JFET이며^[35], 전압 제한 제너 다이오드와의 2단자 전류 제한 아날로그처럼 기능한다.그들은 자신들을 통해 흐르는 전류를 일정한 값으로 상승시킨 다음, 특정한 값으로 수평을 맞추게 한다.CLD, 정전류 다이오드, 다이오드 연결 트랜지스터 또는 전류 조절 다이오드라고도 한다.

크리스털 정류기 또는 크리스털 다이오드

이것들은 포인트 콘택트 다이오드 입니다.^[25]1N21 시리즈 등은 레이더와 마이크로파 수신기의 믹서와 검출기 어플리케이션에 사용된다.^[22][23][24]1N34A는 결정 다이오드의 또 다른 예다.^[36]

건 다이오드

이는 부차적 저항의 영역을 나타내는 GaAs나 InP와 같은 재료로 만들어졌다는 점에서 터널 다이오드와 유사하다.적절한 바이어싱으로 다이오드를 가로질러 쌍극점 도메인을 형성하고 이동함으로써 고주파 마이크로파 오실레이터를 구축할 수 있다.

발광다이오드(LED)

갈륨비소화물과 같은 직접 밴드갭 반도체에서 형성된 다이오드에서 접속부를 가로지르는 충전 캐리어가 반대편의 다수 캐리어와 재결합할 때 광자를 방출한다.소재에 따라 적외선에서 자외선 근방에 이르는 파장(또는 색상)^[37]이 생성될 수도 있다.^[38]첫 번째 LED는 빨간색과 노란색이었고, 시간이 지나면서 고주파 다이오드가 개발되었다.모든 LED는 일관성이 없고 스펙트럼이 좁은 빛을 낸다. "흰색" LED는 실제로 노란색 섬광기 코팅이 있는 파란색 LED 또는 다른 색상의 3개의 LED 조합이다.LED는 신호 어플리케이션에서도 저효율 광다이오드(photodiod)로도 사용될 수 있다.LED는 동일한 패키지의 광다이오드 또는 광선반시스터와 페어링하여 광분해기를 형성할 수 있다.

레이저 다이오드

평행 끝면을 연마하여 형성된 공명 공동에 LED와 같은 구조가 포함되면 레이저를 형성할 수 있다.레이저 다이오드는 광학 저장장치와 고속 광통신에 흔히 사용된다.

열 다이오드

이 용어는 온도에 따라 전방 전압이 달라지기 때문에 온도를 모니터링하는 데 사용되는 기존의 p-n 다이오드와 열전 냉난방용 펠티에 열펌프 모두에 사용된다.펠티어 열펌프는 반도체에서 만들 수 있지만 정류 접합부는 없지만 열을 이동하기 위해 N과 P형 반도체에서 충전 캐리어의 다른 동작을 사용한다.

광다이오드

모든 반도체는 광전하 캐리어 발생이 대상이다.이는 일반적으로 원치 않는 효과여서 대부분의 반도체는 광 차단 물질로 포장되어 있다.광다이오드는 빛을 감지하기 위한 것으로(광검출기) 빛이 통과할 수 있는 물질로 포장되어 있으며, 보통 PIN(빛에 가장 민감한 다이오드의 종류)이다.^[39]광다이오드는 태양 전지, 측광학 또는 광통신에 사용될 수 있다.다중 광다이오드는 선형 배열 또는 2차원 배열로 단일 장치로 포장될 수 있다.이러한 배열을 충전 결합 장치와 혼동해서는 안 된다.

PIN 다이오드

PIN 다이오드는 p-type/intrinsic/n-type 구조를 형성하는 중심 비 도핑 또는 내인성 층을 가지고 있다.^[40]그것들은 무선 주파수 스위치와 감쇠기로 사용된다.그것들은 또한 대량의 이온화 방사 검출기와 광검출기로도 사용된다.PIN 다이오드는 전력 전자 장치에도 사용되는데, 그 중심 레이어가 고전압을 견딜 수 있기 때문이다.게다가, PIN 구조는 IGBT, 파워 MOSFET, 사이리스터와 같은 많은 전력 반도체 소자에서 찾을 수 있다.

쇼츠키 다이오드

쇼트키 다이오드는 금속에서 반도체까지 연결된다.그들은 p-n 접합 다이오드보다 낮은 전방 전압 강하를 가진다.약 1mA의 전방 전류에서 이들의 전방 전압 강하는 0.15V ~ 0.45V 범위에 있어 전압 클램핑 적용 및 트랜지스터 포화 방지에 유용하다.역누설 전류는 일반적으로 다른 다이오드의 전류보다 높지만 저손실 정류기로도 사용할 수 있다.쇼트키 다이오드는 다수 반송파 장치여서 다른 다이오드를 느리게 하는 소수 통신사 저장 문제를 겪지 않기 때문에 p-n 접속 다이오드에 비해 역회복이 빠르다.또한 p–n 다이오드에 비해 훨씬 낮은 접점 캐패시턴스를 갖는 경향이 있는데, 이 다이오드는 스위칭 속도가 빠르고 스위칭 모드 전원 공급 장치, 믹서 및 검출기와 같은 고속 회로 및 RF 장치에 사용할 수 있다.

슈퍼 배리어 다이오드

슈퍼 장벽 다이오드는 정상적인 p-n 접속 다이오드의 서지 처리 기능과 낮은 역방향 누출 전류를 포함하는 정류기 다이오드다.

골드 도핑 다이오드

도판트로서 금(또는 백금)은 재조합의 중심 역할을 하며, 이것은 소수민족 운송업자들의 빠른 재조합을 돕는다.이를 통해 다이오드는 더 높은 전방 전압 강하를 감수하고 신호 주파수에서 작동할 수 있다.골드 도핑 다이오드는 다른 p-n 다이오드보다 빠르다(그러나 쇼트키 다이오드만큼 빠르지는 않다).또한 쇼트키 다이오드보다 역류 누출이 적다(그러나 다른 p-n 다이오드에 비해 좋지 않다).^[41][42]대표적인 예가 1N914이다.

스냅오프 또는 스텝 복구 다이오드

단계적 복구라는 용어는 이러한 장치의 역방향 복구 특성의 형태와 관련이 있다.전방 전류가 SRD를 통과하여 전류가 중단되거나 역류된 후에는 역전도가 매우 갑작스럽게 중지된다(단계 파형에서와 같이).따라서 SRD는 충전 캐리어가 갑자기 사라짐으로써 매우 빠른 전압 전환을 제공할 수 있다.

스티비스터 또는 전방 기준 다이오드

stabistor라는 용어는 매우 안정적인 전방 전압 특성을 가진 특수한 유형의 다이오드를 가리킨다.이러한 장치는 넓은 전류 범위에서 보장된 전압과 매우 안정적인 과열도를 필요로 하는 저전압 안정화 애플리케이션을 위해 특별히 설계되었다.

과도 전압 억제 다이오드(TV)

이는 다른 반도체 소자를 고전압 과도현상으로부터 보호하기 위해 특별히 고안된 눈사태 다이오드다.^[43]이들의 p-n 접합부는 일반 다이오드의 접합부보다 단면적이 훨씬 넓어 손상 없이 접지까지 큰 전류를 전도할 수 있다.

터널 다이오드 또는 에사키 다이오드

이들은 양자 터널링에 의해 발생하는 음의 저항을 보여주는 작동 영역을 가지고 있어 신호의 증폭과 매우 단순한 바이스트 가능 회로를 허용한다.^[44]높은 반송파 농도 때문에 터널 다이오드는 매우 빠르고 낮은 온도(mK)에서, 높은 자기장 및 높은 방사선 환경에서 사용될 수 있다.^[45]이러한 특성들 때문에, 그것들은 종종 우주선에서 사용된다.

바리캅 또는 바액터 다이오드

이것들은 전압 제어식 콘덴서로 사용된다.이는 PL(위상 잠금 루프) 및 FLL(주파수 잠금 루프) 회로에서 중요하며, 텔레비전 수신기에 있는 회로와 같은 튜닝 회로가 주파수에 빠르게 잠길 수 있다.또한 값싸고 안정적이지만 고정 주파수의 결정 오실레이터가 전압 제어 오실레이터에 대한 기준 주파수를 제공하는 라디오의 초기 이산 조정에서도 튜닝 가능한 오실레이터를 사용할 수 있었다.

제너 다이오드

이들은 역방향 바이어스(뒤로)에서 전도되도록 만들 수 있으며, 역방향 고장 다이오드로 올바르게 명명된다.제너파괴라고 불리는 이 효과는 정밀하게 정의된 전압에서 발생하며 다이오드를 정밀 전압 기준으로 사용할 수 있다.제너 다이오드라는 용어는 여러 유형의 고장 다이오드에 구어적으로 적용되지만, 엄밀히 말하면 제너 다이오드는 5V 이하의 고장 전압을 가지는 반면, 눈사태 다이오드는 그 값 이상의 고장 전압에 사용된다.실제 전압 기준 회로에서는 제너와 스위칭 다이오드를 직렬 및 반대 방향으로 연결하여 다이오드의 온도계수 응답의 균형을 0에 가깝게 맞춘다.고전압 제너 다이오드로 표시된 일부 장치는 실제로 눈사태 다이오드(위 참조)이다.같은 패키지의 직렬 및 역순으로 된 두 개의 (동일한) 제너스는 과도 흡수기(또는 등록 상표인 Transorb)를 구성한다.

반도체 다이오드의 다른 용도로는 온도 감지 및 아날로그 로그 계산이 있다(작동 증폭기 애플리케이션#로그 출력 참조).

그래픽 기호

회로 다이어그램에서 특정 유형의 다이오드를 나타내는 데 사용되는 기호는 일반적인 전기 기능을 판독기에 전달한다.다이오드 종류에는 차이가 작지만 대체 기호가 있다.기호의 삼각형은 앞쪽 방향, 즉 재래식 전류가 흐르는 방향을 가리킨다.

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  다이오드

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  발광다이오드(LED)

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  포토다이오드

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  쇼트키 다이오드

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  과도 전압 억제 다이오드(TV)

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  터널 다이오드

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  바리캅

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  제너 다이오드

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  다이오드 기호와 동일한 정렬의 일반적인 다이오드 패키지.얇은 막대는 음극을 묘사한다.

번호 매기기 및 코드화 방법

다이오드에 대한 수많은 공통, 표준 및 제조업체 주도 번호 지정 및 코드화 방법이 있다. 가장 일반적인 두 가지는 EIA/JEDEC 표준과 유럽 프로 전자 표준이다.

EIA/JEDEC

표준화된 1N 시리즈 번호 부여 EIA370 시스템은 EIA/JEDEC(Joint Electronic Device Engineering Council)에 의해 1960년에 미국에서 도입되었다.대부분의 다이오드는 1-프리픽스 지정(예: 1N4003)을 가지고 있다.이 시리즈에서 가장 인기 있는 것은 1N34A/1N270(게르마늄 신호), 1N914/1N4148(실리콘 신호), 1N400x(실리콘 1A 전원 정류기), 1N580x(실리콘 3A 전원 정류기) 등이었다.^[46][47][48]

JIS

JIS 반도체 지정 시스템은 '1S'로 시작하는 모든 반도체 다이오드 지정이 있다.

프로 일렉트로닉스

유럽 프로 일렉트로닉 코딩 시스템은 1966년에 도입되었으며, 2개의 문자에 이어 부품 코드로 구성된다.첫 번째 문자는 구성 요소에 사용되는 반도체 재료(A = 게르마늄 및 B = 실리콘)를 나타내며, 두 번째 문자는 부품의 일반적인 기능(다이오드의 경우 A = 저전력/신호, B = 가변 캐패시턴스, X = 승수, Y = 정류기 및 Z = 전압 기준)을 나타낸다. 예를 들어,

• AA 시리즈 게르마늄 저전력/신호 다이오드(예: AA119)
• BA 시리즈 실리콘 저전력/신호 다이오드(예: BAT18 실리콘 RF 전환 다이오드)
• BY 시리즈 실리콘 정류기 다이오드(예: BY127 1250V, 1A 정류기 다이오드)
• BZ 시리즈 실리콘 제너 다이오드(예: BZY88C4V7 4.7V 제너 다이오드)

기타 일반적인 번호 지정/코딩 시스템(일반적으로 제조업체 중심)은 다음과 같다.

• GD 시리즈 게르마늄 다이오드(예: GD9) – 이것은 매우 오래된 코딩 시스템이다.
• OA 시리즈 게르마늄 다이오드(예: OA47) – 영국 Mullard사가 개발한 코딩 시퀀스

관련 장치

• 정류기
• 트랜지스터
• 사이리스터 또는 실리콘 제어 정류기(SCR)
• 트리아크
• DIAC
• 배리스터

광학에서 다이오드와 동일하지만 레이저 광을 가진 장치는 광학 다이오드로도 알려진 광학 아이솔레이터로 빛이 한 방향으로만 통과할 수 있다.^[49]파라데이 회전 장치(Faraday Rotator)를 주성분으로 사용한다.

적용들

전파 강등

다이오드의 첫 번째 용도는 진폭 변조(AM) 라디오 방송의 감산이었다.이 발견의 이력은 결정 검출기 기사에서 심층적으로 다루어진다.요약하면, AM 신호는 진폭이나 엔벨롭이 원래 오디오 신호에 비례하는 무선 반송파의 양의 피크와 음의 피크로 구성된다.다이오드는 AM 무선 주파수 신호를 정류하여 반송파의 양의 피크만 남는다.그런 다음 간단한 필터를 사용하여 정류된 반송파에서 음파를 생성하는 오디오 앰프나 변환기에 오디오를 공급한다.

마이크로파 및 밀리미터파 기술에서는 1930년대부터 연구자들이 수정 검출기를 개선하고 소형화했다.포인트 접촉 다이오드(결정 다이오드)와 쇼트키 다이오드는 레이더, 마이크로파, 밀리미터 파동 검출기에 사용된다.^[28]

전력 변환

정류기는 다이오드로 구성되며, 여기서 교류(AC) 전기를 직류(DC)로 변환하는 데 사용된다.AC를 DC로 정류하는 다이오드가 정류기 이전인 다이너모터보다 더 나은 성능을 제공하는 것이 일반적인 예다.마찬가지로, AC를 더 높은 DC 전압으로 변환하기 위해 Cockcroft-Walton 전압 곱셈기에도 다이오드가 사용된다.

역전압 보호

대부분의 전자 회로는 전원 공급 입력의 극성이 역전될 때 손상될 수 있기 때문에 직렬 다이오드를 사용하여 그러한 상황을 방지하기도 한다.이 개념은 역전압 보호, 역극성 보호, 역배터리 보호 등 동일한 것을 의미하는 복수의 명명 변형법으로 알려져 있다.

과전압 보호

다이오드는 민감한 전자 소자에서 떨어져서 손상되는 고전압을 수행하는 데 자주 사용된다.그들은 보통 정상적인 상황에서 역편향(비전도)된다.전압이 정상 범위 이상으로 상승하면 다이오드는 전방 바이어스(전도)가 된다.예를 들어 다이오드는 (스테퍼 모터 및 H-브리지) 모터 제어기와 릴레이 회로에 사용되어 그렇지 않을 경우 발생할 손상 전압 스파이크 없이 코일의 전원을 신속하게 차단한다.(이러한 애플리케이션에서 사용되는 다이오드를 플라이백 다이오드라고 한다.)또한 많은 집적 회로는 외부 전압이 민감한 트랜지스터를 손상시키지 않도록 연결 핀에 다이오드를 통합한다.보다 높은 전력에서 과전압으로부터 보호하기 위해 특수 다이오드를 사용한다(위의 다이오드 유형 참조).

논리 관문

다이오드는 AND 및 OR 로직 게이트를 구성하기 위해 다른 구성 요소와 결합될 수 있다.이것을 다이오드 논리라고 한다.

전리방사선 검출기

위에서 언급한 빛 외에도 반도체 다이오드는 보다 에너지 넘치는 방사선에 민감하다.전자공학에서 우주선 및 기타 전리방사선원은 소음 펄스와 단일 및 다중 비트 오류를 유발한다.이 효과는 때때로 입자 감지기에 의해 방사선을 탐지하는 데 이용된다.수천 또는 수백만 개의 전자 전압의 에너지를 가진 방사선 한 입자는 에너지가 반도체 물질에 축적될 때 많은 전하 반송파 쌍을 생성한다.고갈층이 샤워기를 통째로 잡거나 무거운 입자를 멈출 정도로 크면 단순히 전도된 전하를 측정하고 자기 분광계 등의 복잡성 없이 입자의 에너지를 상당히 정확하게 측정할 수 있다.이러한 반도체 방사선 검출기는 효율적이고 균일한 전하 수집과 낮은 누설 전류가 필요하다.그것들은 종종 액체 질소에 의해 냉각된다.더 긴 범위(약 1cm) 입자의 경우 매우 큰 고갈 깊이와 넓은 면적이 필요하다.단거리 입자의 경우 얇게 하려면 최소한 한 표면에 접촉하거나 고갈되지 않은 반도체가 필요하다.백바이어스 전압은 거의 고장이다(cm당 약 1,000V).게르마늄과 실리콘은 흔한 물질이다.이러한 검출기 중 일부는 에너지뿐만 아니라 위치도 감지한다.그들은 방사능 피해 때문에 특히 무거운 입자를 감지할 때 유한한 수명을 가지고 있다.실리콘과 게르마늄은 감마선을 전자 샤워기로 전환하는 능력이 상당히 다르다.

고에너지 입자용 반도체 검출기가 대거 사용된다.에너지 손실 변동으로 인해, 축적된 에너지의 정확한 측정은 덜 사용된다.

온도 측정

실리콘 밴드갭 온도 센서에서처럼 다이오드의 전방 전압 강하는 온도에 따라 다르기 때문에 다이오드를 온도 측정 장치로 사용할 수 있다.위에 제시된 쇼클리 이상 다이오드 방정식으로부터 전압은 (정전류에서) 양의 온도 계수를 갖는 것으로 나타날 수 있지만, 일반적으로 역포화 전류 항의 변화는 열전압 항의 변화보다 더 유의하다.따라서 대부분의 다이오드는 일반적으로 실리콘 다이오드의 경우 -2mV/°C의 음의 온도 계수를 가진다.온도 계수는 약 20켈빈 이상의 온도에서 근사적으로 일정하다.일부 그래프는 1N400x 시리즈와 CY7 극저온 센서에 대해 제공된다.^[50][51]

전류 스티어링

다이오드는 의도하지 않은 방향으로의 전류를 막을 것이다.전원 고장 시 전기 회로에 전원을 공급하기 위해 회로는 배터리로부터 전류를 끌어낼 수 있다.무정전 전원 공급 장치는 필요할 때 전류가 배터리로부터만 흐르도록 보장하기 위해 이 방법으로 다이오드를 사용할 수 있다.마찬가지로, 소형 보트에는 일반적으로 각각 배터리/배터리가 있는 두 개의 회로가 있다. 하나는 엔진 시동에, 다른 하나는 가정용에 사용된다.일반적으로 두 개 모두 단일 교류 발전기로 충전되며, 교류 발전기가 작동하지 않을 때 고차지 배터리(일반적으로 엔진 배터리)가 저차지 배터리를 통해 방전되는 것을 방지하기 위해 중차지 분할 충전 다이오드를 사용한다.

다이오드는 전자 음악 키보드에도 사용된다.전자 음악 키보드에 필요한 배선의 양을 줄이기 위해 이러한 기기는 키보드 매트릭스 회로를 사용하는 경우가 많다.키보드 컨트롤러는 행과 열을 스캔하여 플레이어가 눌렀던 노트를 결정한다.매트릭스 회로의 문제는 한 번에 여러 노트를 누르면 전류가 회로를 통해 역류하여 "유령" 노트가 재생되도록 하는 "팬텀 키"를 트리거할 수 있다는 점이다.원하지 않는 노트가 트리거되지 않도록 대부분의 키보드 매트릭스 회로는 음악 키보드의 각 키 아래에 스위치와 함께 납땜된 다이오드를 가지고 있다.솔리드 스테이트 핀볼 머신에서 스위치 매트릭스에도 동일한 원리가 사용된다.

파형 클리퍼

다이오드는 신호의 양의 편차 또는 음의 편차를 규정된 전압으로 제한하는 데 사용될 수 있다.

클램퍼

다이오드 클램프 회로는 양의 값과 음의 값 사이에서 진동하는 주기적인 교류 신호를 취할 수 있으며, 양 또는 음의 피크가 지정된 수준에서 발생하도록 수직으로 대체할 수 있다.클램퍼는 신호의 피크 대 피크 편차를 제한하지 않고 전체 신호를 위 또는 아래로 이동하여 피크를 기준 레벨에 배치한다.

약어

다이오드는 보통 PCB의 다이오드를 D라고 부른다.때때로 수정 정류기의 약어 CR이 사용된다.^[52]

참고 항목

• 능동 정류
• 다이오드 모델링
• 람다 다이오드
• p-n 접합
• 스몰 시그널 모델
• 불꽃 정류
• 고속/초고속 다이오드

참조

추가 읽기

정기 간행물

• 솔리드 스테이트 다이오드; 나이; 2001. (아카이브)
• 실리콘 정류기 핸드북; 제1편; 밥 데일; 모토로라; 213쪽; 1966. (아카이브)
• 전자 정류; F.G. 스프레드베리; D.밴 노스트랜드 코; 1962.
• 제너 다이오드 핸드북; 국제 정류기; 96페이지; 1960.
• F.T. 셀레늄 정류기 핸드북, 2차 개정, 연방 전화 및 라디오, 80페이지, 1953페이지.(iii)
• S.T. 셀레늄 정류기 핸드북; 1차 에드; 사르케스 타르지안; 80페이지; 1950. (아카이브)

서킷북

• 단순 LED 회로 50개; 제1차 Ed; R.N. Sawy; Babani Press; 62페이지; 1977; ISBN 978-0859340434.(iii)
• 38 가정 건설자를 위한 실제 시험 다이오드 회로; 1차 Ed; Bernard Babani; Krisson Printing; 48페이지; 1972. (아카이브)
• 다이오드 회로 핸드북; 제1편; 루퍼스 터너; 하워드 샘스 & 코; 128쪽; 1963; LCCN 63-13904. (아카이브)
• 40 Germanium Diodes 사용; 2번째 Ed; Sylvania Electric Products; 47페이지; 1949.(iii)

데이타북스

• 이산 데이터북; 1985; 페어차일드(NOW Semiconductor)
• 이산 데이터북; 1982; SGS(현재의 STMicroelectronics)
• 이산 데이터북; 1978; 내셔널 반도체(현 텍사스 인스트루먼트)
• 반도체 데이터북; 1965; 모토로라(현 반도체)

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 다이오드와 관련된 미디어가 있다.

• PIN 다이오드의 구조와 기능 거동

인터랙티브 및 애니메이션

• 캠브리지 대학교 반도체 다이오드에 대한 대화형 설명
• 쇼트키 다이오드 플래시 튜토리얼 애니메이션