쇼트키 다이오드는 왜 측정값이 다를까: 낮은 순방향 전압과 역방향 누설

어댑터 입력단이나 DC-DC 컨버터 출력단에 달린 작은 다이오드 하나 때문에 전원이 아예 안 들어오거나, 보드가 이유 없이 뜨거워지는 경우가 있습니다. 이런 자리에 자주 쓰이는 부품이 쇼트키 다이오드입니다. 쇼트키 다이오드는 일반 실리콘 다이오드와 측정값이 다르게 나오기 때문에, 특성을 모르고 멀티미터를 대면 정상 부품을 불량으로 오해하거나 반대로 누설이 생긴 부품을 놓치기 쉽습니다. 이 글에서는 쇼트키 다이오드의 기본 특성을 정리하고, 다이오드 모드와 단품 측정으로 단락·개방·누설을 구분하는 순서를 설명합니다. 중간에는 쇼트키와 실리콘 다이오드의 역방향 누설 전류가 온도에 따라 얼마나 늘어나는지 ngspice로 직접 시뮬레이션한 그래프와, 누설이 커진 쇼트키가 스스로 데워져 열 폭주에 이르는 조건을 직접 계산한 그래프를 함께 넣었습니다.

위 사진은 유리 봉지형 쇼트키 다이오드를 확대한 모습입니다. 쇼트키 다이오드는 P형과 N형 반도체를 맞붙인 일반 PN 다이오드와 달리 금속과 반도체의 접합을 이용합니다. 전원용 제품은 DO-41 같은 축형 패키지나 표면 실장형 패키지로 나옵니다.

쇼트키 다이오드의 특징: 낮은 순방향 전압과 큰 누설 전류

쇼트키 다이오드의 대표적인 장점은 낮은 순방향 전압입니다. 위키백과의 설명에 따르면 쇼트키 다이오드의 순방향 전압은 150~450mV 수준으로, 600~700mV인 일반 실리콘 PN 다이오드보다 낮습니다. 스위칭 속도도 빨라서 스위칭 전원(SMPS)의 정류, 태양광 패널의 역류 방지, 전압 클램프 회로 등에 쓰입니다.

대신 약점도 분명합니다. 역방향 누설 전류가 비교적 크고, 이 누설 전류는 온도가 오를수록 커집니다. 누설이 늘면 발열이 늘고, 발열이 다시 누설을 키우는 열적 불안정 문제가 생길 수 있습니다. 또 실리콘 쇼트키 다이오드의 역전압은 보통 50V 이하이며, 전력용 쇼트키는 PN 다이오드보다 덜 견고하다고 알려져 있습니다. 결국 쇼트키 다이오드는 과열과 역전압 초과에 상대적으로 약한 부품이라는 점을 기억해 두면 진단 방향을 잡기 쉽습니다.

대표 품번인 1N5817, 1N5818, 1N5819는 각각 20V, 30V, 40V 역전압에 1A 정격이며 DO-41 패키지입니다. 3A급인 1N5820, 1N5821, 1N5822는 같은 순서로 20V, 30V, 40V이고 DO-201AD 패키지를 씁니다. 위키백과의 1N58xx 항목은 이 계열의 순방향 전압이 1N400x 계열의 대략 절반이고, 역방향 누설 전류는 상온에서 약 1mA 수준이며 온도에 따라 증가한다고 설명합니다.

직접 시뮬레이션: 온도가 오르면 누설 전류는 얼마나 늘어날까

위에서 쇼트키의 누설 전류가 온도에 따라 커진다고 했는데, 얼마나 커지는지를 숫자로 보기 위해 쇼트키 1N5819(40V 1A)와 실리콘 정류 다이오드 1N4007(1000V 1A)의 공개 SPICE 모델에 역전압 20V를 걸고, 접합 온도를 0°C에서 150°C까지 1°C씩 바꿔 가며 ngspice로 시뮬레이션했습니다. 두 부품 모두 1A급 축형 다이오드라서 같은 자리에 놓고 비교하기 좋습니다.

모델은 1N5819가 IS 31.7µA, N 1.373, EG 0.69eV, XTI 2이고, 1N4007이 IS 7.03nA, N 1.81, EG 1.06eV, XTI 5입니다. SPICE에서 누설의 온도 특성은 EG와 XTI가 정하는데, 쇼트키는 금속과 반도체 사이의 장벽이 실리콘 PN 접합보다 낮아서 EG가 작게 잡혀 있습니다. 접합 온도는 시뮬레이션 온도와 같다고 두었고, 누설 때문에 다이오드가 스스로 데워지는 효과는 여기서는 넣지 않았습니다(아래 ‘역방향 누설 불량은 왜 놓치기 쉬운가’에서 따로 계산했습니다).

접합 온도	1N5819 누설(쇼트키)	20V × 누설 = 발열	1N4007 누설(실리콘)
25°C	27.6µA	0.551mW	5.95nA
50°C	141µA	2.81mW	43.1nA
75°C	573µA	11.5mW	239nA
100°C	1.95mA	39mW	1.07µA
125°C	5.71mA	114mW	4.01µA

직접 시뮬레이션한 25°C 누설은 1N5819가 27.6µA, 1N4007이 5.95nA로, 직접 계산하면 쇼트키가 약 4,633배 큽니다. 온도를 25°C에서 100°C로 올리면 1N5819의 누설은 70.7배(1.95mA), 1N4007은 179.9배(1.07µA)가 됐습니다. 10°C마다 평균으로 나누면 1N5819는 1.76배, 1N4007은 2.0배씩 늘어난 셈입니다. 늘어나는 비율만 보면 오히려 실리콘이 크지만, 출발점이 수천 배 낮아서 100°C에서도 1µA 남짓에 머뭅니다. 쇼트키에서 누설이 문제가 되는 것은 비율보다 절대값 때문입니다.

누설은 그대로 열이 됩니다. 역전압 20V에서 1N5819 모델의 누설 발열은 25°C에서 0.551mW지만 100°C에서는 39mW, 125°C에서는 114mW로 직접 계산됩니다. 본문에서 말한 ‘누설이 늘면 발열이 늘고, 발열이 다시 누설을 키우는’ 고리가 이 숫자에서 시작됩니다.

측정과 연결하면 이렇습니다. 멀티미터 다이오드 모드는 보통 1mA 안팎의 작은 전류를 흘려 몇 V 이하에서 잽니다(이 글에서는 1mA로 가정했습니다). 정상 1N5819 모델의 25°C 누설은 이 시험 전류의 약 36분의 1이라 역방향은 OL로 뜹니다. 누설이 시험 전류에 가까워져야 역방향에 숫자가 나타나기 때문에, 상온에서 OL이 떴다는 것은 ‘누설이 시험 전류보다 작다’는 뜻일 뿐 누설이 정상이라는 확인은 아닙니다. 반대로 그래프에서 1N5819 모델의 누설은 75°C(573µA)와 100°C(1.95mA) 사이에서 1mA 선을 넘습니다. 방금까지 동작해 뜨거운 보드를 바로 재면 정상 쇼트키도 역방향에 값이 나올 수 있으므로, 측정은 부품이 충분히 식은 뒤에 합니다.

이 모델은 역방향 누설을 전압과 거의 관계없는 포화 전류(IS)로 근사합니다. 실제 쇼트키는 역전압이 높아질수록 누설도 함께 커지고, 같은 품번이라도 제조사와 개체에 따라 누설이 다릅니다. 이 모델의 25°C 값은 위에서 위키백과가 소개한 상온 약 1mA보다 훨씬 작으므로, 표의 숫자는 부품의 판정 기준이 아니라 ‘온도에 따라 어떤 비율로 늘어나는가’를 보는 용도로 보시면 됩니다. 시뮬레이션에 쓴 넷리스트입니다.

* 쇼트키(1N5819)와 실리콘(1N4007) 다이오드: 역전압 20V에서 역방향 누설 전류, 1A 순방향 전압을 온도별로 비교
* 모델: 널리 쓰이는 공개 SPICE 모델(1N5819는 enrich/723, 1N4007은 enrich/849와 같은 값). 온도 특성은 EG, XTI가 정한다
* 접합 온도 = 시뮬레이션 온도로 본다(자기 발열은 넣지 않음). 0~150°C를 1°C 간격으로 스윕
.model D1N5819 D(Is=31.7u Rs=0.051 N=1.373 Cjo=110p M=0.35 Eg=0.69 Xti=2)
.model D1N4007 D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.05743 XTI=5 BV=1000 IBV=0.1 CJO=1e-11 VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-7)
* 역방향 20V: 캐소드에 +20V, 애노드는 접지. 누설 전류는 전원 VR?를 통해 흐른다
VR1 k1 0 DC 20
D1 0 k1 D1N5819
VR2 k2 0 DC 20
D2 0 k2 D1N4007
* 순방향 1A 정전류
IF1 0 a1 DC 1
D3 a1 0 D1N5819
IF2 0 a2 DC 1
D4 a2 0 D1N4007
* 그래프용: 누설 전류(mA, µA)
B1 ir1 0 V = -i(VR1)*1e3
B2 ir2 0 V = -i(VR2)*1e6
.dc TEMP 0 150 1
.meas dc ir5819_25 FIND v(ir1) AT=25
.meas dc ir5819_50 FIND v(ir1) AT=50
.meas dc ir5819_75 FIND v(ir1) AT=75
.meas dc ir5819_100 FIND v(ir1) AT=100
.meas dc ir5819_125 FIND v(ir1) AT=125
.meas dc ir4007_25 FIND v(ir2) AT=25
.meas dc ir4007_50 FIND v(ir2) AT=50
.meas dc ir4007_75 FIND v(ir2) AT=75
.meas dc ir4007_100 FIND v(ir2) AT=100
.meas dc ir4007_125 FIND v(ir2) AT=125
.meas dc vf5819_25 FIND v(a1) AT=25
.meas dc vf5819_100 FIND v(a1) AT=100
.meas dc vf4007_25 FIND v(a2) AT=25
.meas dc vf4007_100 FIND v(a2) AT=100

측정 전 안전 수칙

쇼트키 다이오드는 어댑터 입력단, SMPS 2차측처럼 전원이 직접 흐르는 자리에 쓰입니다. 측정 전에 반드시 다음을 지킵니다.

• 어댑터와 배터리를 모두 분리합니다. 노트북은 배터리 커넥터까지 빼야 합니다.
• SMPS나 가전 전원 보드는 1차측 평활 커패시터에 고전압이 남아 있을 수 있으므로 전압을 측정해 방전을 확인한 뒤 작업합니다.
• 리튬 배터리 단자를 금속 공구로 단락시키지 않도록 절연 테이프로 덮어 둡니다.
• 통전 상태 측정이 필요하면 전류 제한이 되는 벤치 파워를 쓰고, 프로브가 미끄러져 인접 핀을 단락시키지 않도록 주의합니다.

보드 위에서 다이오드 모드로 1차 확인하기

먼저 보드에 달린 상태 그대로 멀티미터를 다이오드 모드에 놓고 측정합니다. 캐소드 쪽은 보통 띠나 막대 표시로 구분합니다. 정방향 값과 프로브를 바꾼 역방향 값을 모두 적어 둡니다.

정상이라면 정방향에서 낮은 전압 강하가 표시되고, 역방향에서는 OL(개방)에 가까운 표시가 나옵니다. 다만 보드 위에서는 다이오드와 병렬로 연결된 커패시터, 저항, IC 내부 회로가 함께 측정됩니다. 그래서 역방향에서도 값이 나오거나, 커패시터가 충전되면서 숫자가 천천히 올라가는 모습이 보일 수 있습니다. 이 값만 보고 바로 불량으로 판정하지 않습니다.

판단이 애매할 때는 같은 보드의 같은 회로, 또는 같은 모델의 정상 보드에서 같은 위치를 측정해 비교하면 도움이 됩니다. 비교 대상이 없다면 다음 단계인 단품 측정으로 넘어갑니다.

한쪽 다리를 들어 단품으로 판정하기

보드 위 측정이 의심스러우면 다이오드의 한쪽 다리를 납땜 인두로 들어 올리거나 부품을 떼어 낸 뒤 다시 측정합니다. 표면 실장 부품은 한쪽 패드만 녹여 살짝 띄우는 방식으로도 병렬 회로의 영향을 끊을 수 있습니다. 다이오드의 한쪽 끝을 회로에서 떼어 내야 정확히 측정할 수 있는 경우가 있기 때문입니다.

• 정방향 낮은 값, 역방향 OL: 정상입니다.
• 정방향은 정상인데 역방향에서 OL이 아닌 값: 누설이 커진 상태를 의심합니다.

정방향 값이 일반 실리콘 다이오드 수준으로 나온다면 불량이라기보다 애초에 쇼트키가 아닌 부품일 수 있습니다. 부품 표면의 마킹과 회로도·보드뷰의 품번을 확인합니다. 정방향 전압은 측정 전류와 온도에 따라 달라지므로, 표의 범위는 판정의 기준점으로만 활용합니다. 멀티미터의 테스트 전류에 따라 쇼트키·실리콘·LED의 표시값이 어떻게 달라지는지는 다이오드 모드 부품별 표시값 시뮬레이션에 따로 정리했습니다.

역방향 누설 불량은 왜 놓치기 쉬운가

쇼트키 다이오드는 정상 상태에서도 PN 다이오드보다 누설 전류가 큽니다. 그래서 역방향 측정값이 완전한 OL이 아니라고 해서 곧바로 불량은 아닙니다. 반대로 상온에서는 거의 정상처럼 보이다가, 동작 중 온도가 오르면 누설이 크게 늘어나는 부품도 있습니다. 누설 전류는 온도가 오를수록 커지는 특성이 있기 때문입니다.

직접 계산: 누설이 커진 쇼트키가 스스로 데워지는 조건

역방향 누설 전류가 흐르면 다이오드에서는 역전압 × 누설 전류만큼 열이 납니다. 이 열이 접합 온도를 올리고, 올라간 온도가 누설을 다시 키웁니다. 다이오드 밖으로 빠져나가는 열(접합과 주변의 온도 차 ÷ 열저항)이 이 열을 따라잡으면 어느 온도에서 멈추고, 따라잡지 못하면 온도가 계속 올라가는 열 폭주가 됩니다. 위 시뮬레이션과 같은 1N5819 모델로 이 균형을 직접 계산했습니다.

가정은 다음과 같습니다. 역전압 20V가 계속 걸리는 자리(예를 들어 역류 방지용 다이오드가 반대쪽 전압을 막고 있는 상태)이고, 접합에서 주변 공기까지의 열저항 θJA는 80°C/W로 두었습니다. 이 값은 축형 다이오드를 기판에 꽂은 경우를 가정한 것으로, 리드 길이와 동박 면적에 따라 크게 달라집니다. 주변 온도는 작업대 25°C와 밀폐된 기기 내부 50°C 두 가지입니다. 누설이 커진 부품은 ‘정상 모델 누설의 k배’로 흉내 냈는데, k는 실제 불량 부품을 잰 값이 아니라 비교를 위한 가정입니다. 순방향 전류로 생기는 열은 넣지 않았습니다.

누설 배수 k(가정)	주변 25°C에서 멈추는 접합 온도	주변 50°C에서 멈추는 접합 온도
1배	25.0°C	50.2°C
3배	25.1°C	50.7°C
10배	25.5°C	52.6°C
30배	26.5°C	균형점 없음(열 폭주)
열 폭주가 시작되는 배수	124.2배	28.5배

직접 계산하면 누설이 정상 모델의 30배인 부품은 주변 25°C에서 접합 온도 26.5°C에 멈추고, 이때 누설 발열은 18.3mW입니다. 작업대에서 통전해 보면 거의 데워지지 않는다는 뜻입니다. 같은 부품이 주변 50°C인 기기 안에 들어가면 발열 곡선이 빠져나가는 열의 선과 만나지 않아 온도가 계속 오릅니다. 열 폭주가 시작되는 누설 배수는 주변 25°C에서 124.2배, 50°C에서 28.5배로, 주변 온도가 25°C 올라간 것만으로 직접 계산하면 4.4분의 1로 줄었습니다.

또 같은 30배 부품이라도 주변 25°C에서 접합이 93.2°C를 넘으면 그 위에서는 다시 균형점이 없습니다(그래프의 흰 점). 정류 회로처럼 순방향 전류가 흐르는 자리에서는 순방향 손실이 접합 온도를 먼저 올려 두므로, 같은 누설이라도 이 계산보다 불리해질 수 있습니다. 방열 조건과 역전압도 결과를 크게 바꿉니다. 주변 50°C에서 θJA를 40°C/W로 두면 폭주 배수가 57.0배, 120°C/W로 두면 19.0배였고, 역전압을 10V로 낮추면 57.0배였습니다.

진단에서 중요한 점은 이 30배 부품의 25°C 누설이 직접 계산하면 0.827mA로, 앞에서 가정한 다이오드 모드 시험 전류 1mA보다 작다는 것입니다. 이 모델대로라면 상온 다이오드 모드에서는 역방향이 OL로 떠서 정상처럼 보이지만, 기기 안 온도에서는 스스로 폭주할 수 있는 부품입니다. 그래서 상온 측정이 정상이어도 증상이 ‘동작하다가 뜨거워진다’라면 아래처럼 통전 상태에서 발열을 확인하는 단계가 필요합니다.

이 계산은 θJA를 하나의 고정값으로 둔 단순한 열 모델이고, 열이 쌓이는 시간(열 용량)은 다루지 않았기 때문에 폭주까지 걸리는 시간은 알 수 없습니다. 누설은 위 시뮬레이션과 같이 전압과 무관한 모델 값을 썼습니다. 숫자 자체보다 ‘주변 온도와 방열에 따라 같은 부품이 멀쩡하기도 하고 폭주하기도 한다’는 경향을 보는 용도입니다. 계산 스크립트(calc.py)는 sim1의 온도별 누설 값과 같은 식을 쓰는지 확인한 뒤 계산합니다.

이런 경우에는 같은 품번의 새 부품과 저항 모드 값을 비교하거나, 전류 제한을 건 벤치 파워로 통전한 뒤 열화상 카메라나 손등 근접 확인으로 다이오드 주변 발열을 살펴보는 방법을 함께 씁니다. 특정 쇼트키 하나만 유난히 뜨거워진다면 누설이나 과부하를 의심할 수 있습니다.

교체 부품 고르기

• 역전압 정격은 원래 부품과 같거나 높은 것을 고릅니다. 실리콘 쇼트키는 역전압이 보통 50V 이하이므로 정격 여유를 꼭 확인합니다.
• 평균 순방향 전류 정격도 원래 부품 이상으로 맞춥니다. 예를 들어 1A급 자리에 같은 계열의 3A급을 쓰려면 패키지 크기가 맞는지 확인합니다.
• 쇼트키 자리를 일반 실리콘 다이오드로 바꾸면 전압 강하가 커지고 스위칭 특성도 달라집니다. 같은 종류의 부품으로 교체합니다.
• 교체 후에는 단락 여부를 다시 측정하고, 전류 제한을 건 상태로 첫 통전합니다.

쇼트키 자리를 실리콘 다이오드로 바꾸면 손실이 얼마나 늘어나는지도 위 시뮬레이션에 함께 넣어 확인했습니다. 같은 모델에 1A를 흘렸을 때 25°C 순방향 전압은 1N5819가 0.421V, 1N4007이 0.914V였고, 손실(순방향 전압 × 1A)은 직접 계산하면 0.421W 대 0.914W입니다. 5V 1A 출력의 정류 다이오드라면 출력 5W의 8.4%와 18.3%에 해당하는 열이 다이오드 하나에서 나는 셈이고, 위와 같은 θJA 80°C/W를 가정하면 온도 상승은 33.7°C 대 73.1°C입니다. 실제 정류 회로는 전류가 펄스 모양으로 흘러 같은 평균 전류에서도 손실이 이보다 커지고, 1N4007은 스위칭 전원에 쓰기에는 역회복이 느린 부품이라 손실이 더 붙습니다. 실리콘으로 바꾸면 안 되는 이유를 숫자로 보면 이 정도라는 참고로 봐 주세요.

자주 묻는 질문

Q. 보드 위에서 역방향 값이 나오면 불량인가요?
A. 바로 단정할 수 없습니다. 병렬로 연결된 부품의 영향일 수 있으므로 한쪽 다리를 들어 단품으로 다시 측정한 뒤 판정합니다.

Q. 정방향 값이 0.2V 정도로 낮은데 정상인가요?
A. 쇼트키 다이오드의 순방향 전압은 150~450mV 수준이므로 역방향이 OL이라면 정상 범위로 볼 수 있습니다. 일반 실리콘 다이오드에서 이 값이 나왔다면 오히려 이상을 의심합니다.

Q. 쇼트키 다이오드가 고장 나는 원인은 무엇인가요?
A. 쇼트키 다이오드는 누설 전류가 온도에 따라 커져 열적 불안정이 생길 수 있고, 전력용 제품은 PN 다이오드보다 덜 견고합니다. 위의 직접 계산처럼 같은 누설이라도 주변 온도와 방열 조건에 따라 열 폭주 여부가 달라지므로, 과열이나 역전압 초과가 반복되는 자리라면 방열과 주변 회로 원인도 함께 점검합니다.

정리

쇼트키 다이오드는 순방향 전압이 낮고 빠르지만, 누설 전류가 크고 열에 민감한 부품입니다. 진단할 때는 전원 차단과 방전으로 안전을 확보한 뒤, 보드 위 다이오드 모드로 1차 확인을 하고, 의심스러우면 한쪽 다리를 들어 단품으로 판정합니다. 양방향 모두 같은 낮은 값이면 단락, 양방향 OL은 개방이며, 역방향 값이 애매하거나, 상온 측정은 정상인데 동작 중에 뜨거워진다면 새 부품과 비교하고 통전 중 발열을 확인합니다. 상온 다이오드 모드의 OL만으로 누설 불량을 배제하지 않는 것이 핵심입니다. 교체할 때는 역전압과 전류 정격이 원래 부품 이상인 쇼트키 다이오드를 씁니다.