정류기

 p-n접합의 가장 명백한 성질은 단일방향성이다. 순방향으로 바이어스되었을 때는 단락회로로, 또 역방향으로 바이어스되었을 때는 개방회로로 이상적 다이오드를 생각할 수 있다. p-n접합 다이오드는 이와 같은 서술과 꼭 합치되는 것은 아니나, 많은 접합의 I-V특성이 이상적 다이오드와 직렬로 된 등가회로를 구성할 다른 회로소자들로써 근사시킬 수 있다. 예를 들어, 대부분의 순방향으로 바이어스된 다이오드는 오프렛 전압 Eo를 보여주는데, 이것은 이상적 다이오드와 직렬로 된 전지를 사용한 회로모형으로 근사시킬 수 있다. 이 모형의 직렬전지는 인가된 전압이 Eo보다 작으면 이 이상적 다이오드를 계속 턴 오프로 유지한다. Eo는 근사적으로 이 접합의 접촉전위차라고 생각하면 된다. 경우에 따라서 실제 다이오드 특성의 이상과 같은 근사는 이 등가회로에 직렬저항 R을 첨가함으로써 개선된다.

 이상적 다이오드는 교류전압원과 직렬로 놓아 신호의 정류를 이룩하게 할 수 있다. 전류는 다이오드를 통하여 순방향으로만 흐를 수 있기 때문에,  입력 정현파(sine wave)양의 반주기만을 통과시킨다. 이 출력전압을 반파정류 정현파라 한다. 입력 정현파는 평균값이 없으나 이 정류된 신호는 양의 평균값을 가지며, 따라서 직류성분을 포함하고 있다. 적절한 필터링을 행하여 이 직류의 크기를 정류된 신호로부터 추출할 수 있다. 

 다이오드의 단일방향성은 파형 형성이 요구되는 여러 가지 다른 회로응용을 위하여 유용하다. 이것에는 신호의 어떤 부분만을 통과시키고 다른 부분을 저지 시킴으로써 교류신호를 변조하는 것이 포함된다.

 정류기로 사용하도록 설계된 접합 다이오드는 최대한 이상적 다이오드에 가까운 I-V특성을 가져야 할 것이다. 그의 역방향 전류는 무시할 수  있으며, 순방향 전류는 거의 전압 의존성을 보이지 않아야 할 것이다. 역방향 항복전압은 커야 하며, 순방향으로의 오프셋 전압은 작아야 한다. 불행히도 이들 모든 요건이 한소자로 이루어질 수는 없고, 시도하는 응용에 가장 적절한 다이오드를 이룩할 수 있게 접합을 설계하는 데는 절충이 이루어져야 한다.

 에너지 대역간극(band gap)은 정류기 다이오드용 물질을 선정하는데 있어서 중요한 고려 사항이다. 큰 에너지 대역간극을 갖는 물질에서는 ni가 작으므로 역방향 포화전류는 Eg의 증가와 더불어 감소된다. 큰 대역간극을 갖는 물질로 된 정류기는 EHP의 열적 여기가 증대된 대역간극으로 인하여 감소되므로 보다 높은 온도에서 작동할 수 있다. 이와같은 온도효과는 순방향으로 큰 전류를 운송해야 하는, 따라서 상당히 가열될 정류기에서는 결정적으로 중요한 것이다. 한편, 접촉전위차와 오프셋 전압 Eo는 일반적으로 Eg와 더불어 증가한다. 이와 같은 단점은 보통 낮은 ni의 장점들보다는 덜 중요하다. 예를 들어 Si는 일반적으로 전력용 정류기로서의 Ge보다는 유리한데, 그것은 제작상의 특성이 더욱 편리할 뿐만 아니라 대역간극이 넓고 누설전류가 작으며 또 항복전압이 높기 때문이다.

 접합 양쪽의 도핑농도는 다이오드의 애벌랜치 항복전압, 접촉전위차 및 직렬저항에 영향을 준다. 이 접합이 고농도로 도핑된 쪽과 저농도로 도핑된 쪽을 갖고 있다면, 저농도로 도핑된 영역이 그 접합의 여러 가지 성질을 결정한다. 저넝도의 도핑이 이루어진 영역의 저항을 감소시키기 위해서는 단면적을 크게 하고 길이를 줄여야 한다. 따라서 다이오드 몸체의 기하학적 형태는 또 다른 중요한 설계상의 변수가 된다. 다이오드의 실제 단면적에 대한 제한에는 균일한 출발 물질을 얻는 것과 큰 면적에 이르러 접합을 형성시키는 공정의 문제가 포함된다. 접합의 균일성에 있어 국부적인 문제는 그 소자의 작은 영역에서 때 아닌 역방향 항복을 일으키는 것이다. 비슷하게 하여, 접합의 저농도로 도핑이 이루어진 영역은 임의로 짧게 할 수 없다. 이 저농도의 도핑영역에 대한 근본적인 문제 중 하나는 소위 펀치스루라는 효과이다. 전이 여역의 폭 W는 역방향 바이어스와 더불어 증가하며, 주로 저농도의 도핑영역 속으로 확대되므로 W가 영역의 전체 길이를 차지할 때 까지 증가할 수도 있다. 이 펀치스루의 결과로 낮은 곳에서 항복이 이루어진다.

 큰 역방향 바이어스 전압에서 사용되도록 설계된 소자에서는 시료의 단연부를 가로질러서 생기는 뜻하지 않은 항복을 피하도록 주의해야한다. 이효과는 단연부를 엇베거나 시료의 단연부로부터 접합을 격리시키기 위한 보호환을 확산시킴으로써 감소시킬 수 있다. 전계는 이 소자의 주된 몸체에서보다도 시료의 엇벤 단연에서는 더 낮아진다. 비슷하게 저농도로 도핑된 p형의 보호환에 있는 접합은 p+-n 접합보다는 높은 전압에서 항복이 생긴다. 이 공핍영역은 p+형  영역에서보다는 p형의 보호환 영역 쪽에서 넓게 되어 있으므로, 평균 전계는 주어진 다이오드의 역방향 전압에 대하여 이 보호환 쪽에서 더욱 작게 된다.

 정류소자 접합의 장착 방식은 전력을 취급할 수 있는 그의 능력에 있어 결정적인 것이 된다. 소전력 회로에 사용되는 다이오드는 유리나 플라스틱 포장으로 하거나, 또는 간단한 헤더에 장착하는 것이 적당하다. 그러나 ㅁ낳은 양의 열을 소산시켜야 하는 대전류 소자에서는 그의 접합으로부터 열에너지를 옮길 수 있게 특수한 장착방식이 요구된다. 대표적인 Si전력 정류소자는 Si의 열팽창 특성과 합치되게 몰리브덴이나 텅스텐 원판 위에 장착한다. 이 원판을 적당한 냉각장치가 달려 있는 방ㅇ쳘판에 나사로 붙일 수 있게, 구리 또는 기타 열전도성 물질로 된 큰 징 모양으로 된 것에 고정시킨다.