DKK | EUR | USD

Grundlæggende og anvendelse af zener-, PIN-, Schottky- og varactor-dioder

Af Art Pini

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Selvom konventionelle silicium- eller germaniumdioder fungerer fint som ensrettere og koblingselementer i størstedelen af elektronikanvendelser, er funktioner som elektronisk indstilling, elektronisk dæmpning, ensretning med lavt tab og generering af spændingsreference for det meste noget, de ikke kan klare. Oprindeligt blev der anvendt mere primitive, dyre og større metoder til at udføre disse opgaver. Disse metoder har nu måtte vige pladsen for mere elegante dioder til specielle formål, herunder varactor- (eller variabel kapacitans), PIN-, Schottky- og zenerdioder.

Hver af disse diodetyper blev designet ved at forbedre nogle unikke egenskaber ved dioder for at udfylde nicheområder med omkostningsvenlige diodestrukturer. Brugen af disse dioder til specielle formål reducerer mere konventionelle løsningers størrelse, omkostninger og ineffektivitet i disse anvendelsesformål. Typisk brug omfatter switch mode-strømforsyninger, mikrobølge- og RF-dæmpningsled, RF-signalkilder og transceivere.

I denne artikel drøftes specialdiodernes rolle og funktion. Vi ser derefter på deres typiske egenskaber ved hjælp af eksempler fra Skyworks Solutions og ON Semiconductor, inden vi afslutter med kredsløbseksempler for at vise, hvordan de bruges effektivt.

Zenerdioders spændingsreference

Zenerdioder er designet til at opretholde en fast spænding over dioden, når den omvendt forspændt. Denne funktion bruges til at give kendte referencespændinger, en vigtig egenskab i strømforsyninger. Zenerdioder bruges også til at klippe eller begrænse bølgeformer, så de forhindres i at overskride spændingsgrænser.

Zenerdioden er fremstillet ved hjælp af højdopede pn-overgange, der resulterer i et meget tyndt depletionslag. Det resulterende elektriske felt i dette område er meget højt, selv med lave påtrykte spændinger. Under disse forhold resulterer en af to mekanismer i et gennembrud af dioden, hvilket fører til en høj omvendt strøm:

  • I et tilfælde finder zenergennembruddet sted ved spændinger, der er under 5 volt, og er resultatet af kvantemekanisk tunnelering af elektroner
  • Den anden mekanisme for gennembrud er, når spændingerne er højere end 5 volt, hvor gennembruddet er resultatet af lavine-gennembrud eller stødionisering

I begge tilfælde fungerer dioden på samme måde (figur 1).

Diagram over skematisk symbol for en zenerdioderFigur 1: Det skematiske symbol for en zenerdiode er vist sammen med de karakteristiske kurver for strøm-spænding. Strøm-spændingskarakteristikken for en zenerdiode har en normal ledningszone fremad, men når den er omvendt forspændt, gennembrydes den med en konstant spænding hen over dioden. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Når zenerdioden er med fremad-bias, opfører den sig som en standarddiode. Under spærrespænding udviser den et gennembrud, når spærrespændingsniveauet overskrider zenerspændingsniveauet, VZ. På dette punkt opretholder dioden en næsten konstant spænding mellem katoden og anoden. Den mindste strøm til at holde dioden i zenergennembrudsområdet er IZmin, og den maksimale strøm, der bestemmes af diodens nominelle effekttab, er IZmax. Strøm skal begrænses af ekstern modstand for at forhindre overophedning og fejlfunktion. Dette er vist i det skematiske diagram over en grundlæggende zenerbaseret spændingsregulator bygget op omkring ON Semiconductors 1N5229B Zener (figur 2).

Billede af skematisk diagram over en grundlæggende spændingsregulator ved hjælp af en zenerdiode (klik for at forstørre)Figur 2: Det skematiske diagram over en grundlæggende spændingsregulator, der bruger en zenerdiode, sammen med belastningsreguleringsrespons. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

1N5229B Zener-dioden har en maksimal dissipation på 500 milliwatt (mW) ved en nominel zenerspænding på 4,3 volt. Seriemodstanden (R1) på 75 ohm (Ω) begrænser effektspredningen til 455 mW uden belastning. Effektspredning falder, når strømbelastningen stiger. Belastningsreguleringskurven er vist for belastningsmodstandsværdier på 200 Ω til 2.000 Ω.

Ud over spændingsregulering kan zenerdioder forbindes back-to-back for at levere kontrolleret spændingsbegrænsning ved zenerspændingen, plus værdien for ledespændingsfald. En 4,3 volt zenerbegrænser vil begrænse ved ±5 volt. Begrænsningsapplikationer kan udvides til mere generelle kredsløb til overspændingsbeskyttelse.

Schottky-dioden

Schottky-dioden, eller dioden med varme ladningsbærere, er baseret på en metal-til-halvlederovergang (figur 3). Metalsiden af overgangen danner anodeelektroden, og halvledersiden er katoden. Når den forspændes i lederetningen, er Schottky-diodens maksimale ledespændingsfald i området på 0,2 til 0,5 volt, afhængigt af ledestrømmen og diodetypen. Dette lave ledespændingsfald er ekstremt nyttigt, når Schottky-dioden anvendes serielt med en strømkilde, som i kredsløb til spærrespændingsbeskyttelse, da det reducerer effekttab.

Diagram over Schottky-diodens fysiske strukturFigur 3: Schottky-diodens fysiske struktur er baseret på en overgang mellem metal og halvleder af N-typen, hvilket giver et lavt ledespændingsfald og meget hurtige skiftetider. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Den anden væsentlige egenskab ved disse dioder er deres meget hurtige skiftetid. I modsætning til standarddioder, som bruger tid til at fjerne ladning fra depletionslaget, når der skiftes fra en til- til en fra-tilstand, har Schottky-dioden ikke noget depletionslag forbundet med metal-halvlederovergangen.

Schottky-dioder har begrænsede mærkedata for spidsspærrespænding sammenlignet med dioder med siliciumovergang. Det begrænser generelt deres anvendelse til switched mode-strømforsyninger med lav spænding. ON Semiconductors 1N5822RLG har fornuftige mærkedata for spidsspærrespænding (PRV) på 40 volt og en maksimal ledestrøm på 3 A. Den kan anvendes i flere områder på en switched mode-strømforsyning (figur 4).

Diagram over typiske anvendelser af Schottky-dioderFigur 4: Eksempler på typiske anvendelser af Schottky-dioder i switched mode-strømforsyninger omfatter brugen til omvendt strømbeskyttelse (D1) og transientundertrykkelse (D2). (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Schottky-dioder kan bruges til at beskytte regulatorkredsløb mod utilsigtet påføring af omvendt polaritet ved inputtet. Diode D1 har dette formål i eksemplet. Diodens primære fordel i denne anvendelse er dens lave ledespændingsfald. En vigtigere funktion for en Schottky-diode – i dette tilfælde D2 – er at levere en returbane til strøm gennem induktoren, L1, når kontakten slår fra. D2 skal være en hurtig diode, der er forbundet med en kort ledning med lav induktans, for at opnå denne funktion. Schottky-dioder giver den bedste ydeevne i denne anvendelse til lavspændingsforsyninger.

Schottky-dioder finder også anvendelse i RF-design, hvor deres hurtige skiftetider, lave ledespændingsfald og lave kapacitans gør dem velegnede til detektorer og sample-and-hold-kontakter.

Varactor-dioder

Varactor-dioden, der sommetider kaldes en varicap-diode, er en overgangsdiode, som er designet til at levere variabel kapacitans. PN-overgangen er omvendt forspændt, og diodekapacitansen kan varieres ved at ændre den påtrykte DC-forspænding (figur 5).

Diagram over varactor-diode, der leverer variabel kapacitansFigur 5: Varactor-dioden leverer variabel kapacitans, afhængigt af den påtrykte spærrespænding.  Jo højere forspændingsniveauet er, desto lavere er kapacitansen. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Varactorens kapacitans varierer omvendt med den påtrykte DC-forspænding. Jo højere spærrespændingen er, desto bredere er diodens depletionsområde, og dermed desto lavere er kapacitansen. Denne variation kan ses på grafen med kapacitans vs. spærrespænding for Skyworks Solutions' SMV1801-079LF varactor-diode med hyperbrat overgang (figur 6).

Graf med kapacitans for en Skyworks Solutions' SMV1801-079LF-varactorFigur 6: Kapacitans for en Skyworks Solutions' SMV1801-079LF-varactor som en funktion af spærrespænding. (Billedkilde: Skyworks Solutions)

Disse dioder giver høj gennembrudsspænding, spærrespændinger så høje som 28 volt og kan anvendes over et bredt indstillingsområde. Styrespændingen skal påtrykkes varactoren, så forspændingen af det følgende stadie ikke forstyrres. Det er normal kapacitivt koblet som vist på figur 7.

Diagram – varactor-afstemt oscillator AC-kobler varactorenFigur 7: En varactor-afstemt oscillator AC-kobler varactoren, D1, til oscillatoren gennem kondensator C1.  Styrespændingen påtrykkes gennem modstand R1. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Varactoren er AC-koblet til oscillatortankkredsløbet gennem en stor kondensator, C1. Dette isolerer varactoren, D1, fra the transistorens spærrespændinger og omvendt. Styrespændingen påtrykkes gennem den isolerende modstand, R1.

Varactorer kan erstatte variable kondensatorer i andre anvendelser, f.eks. i indstilling af RF- eller mikrobølgefiltre, i frekvens- eller fasemodulatorer, i faseomskiftere eller i frekvensmultiplikatorer.

PIN-dioder

PIN-dioden bruges enten som en kontakt eller et dæmpningsled ved RF- og mikrobølgefrekvenser. Den dannes ved at presse et intrinsisk halvlederlag med høj resistivitet mellem en konventionel diodes lag af P-typen og N-typen, deraf navnet PIN, som afspejler diodens struktur (figur 8).

Dioden uden forspænding eller den omvendt forspændte diode har ingen ladning gemt i det intrinsiske lag. Det er fra-tilstanden i koblingsanvendelser. Indsættelse af det intrinsiske lag forøger den effektive bredde på diodens depletionslag, hvilket medfører meget lav kapacitans og højere gennembrudsspændinger.

Diagram over en PIN-diodes strukturFigur 8: En PIN-diodes struktur omfatter et lag med intrinsisk halvledermateriale mellem P- og N-materialet på henholdsvis anode- og katodeelektroderne. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

I tilstanden med fremad-bias vil huller og elektroner blive "sprøjtet" ind i det intrinsiske lag. Det tager disse bærere noget tid at blive rekombineret med hinanden. Dette tidsrum kaldes bærerlevetiden, t. Der er en gennemsnitligt lagret ladning, som sænker det intrinsiske lags effektive modstand til en minimummodstand, RS. I tilstanden med fremad-bias bruges dioden som et RF-dæmpningsled.

Skyworks Solutions' SMP1307-027LF PIN-diodearray kombinerer fire PIN-dioder i en fælles pakke til brug som et RF-/mikrobølgedæmpningsled over frekvensområdet på 5 megahertz (MHz) til 2 gigahertz (GHz) (figur 9).

Diagram over Skyworks Solutions' SMP1307-027LF PIN-diodearrayFigur 9: Et kredsløb med PIN-diodedæmpningsled baseret på Skyworks Solutions' SMP1307-027LF PIN-diodearray. Grafen viser dæmpning vs. frekvens med styrespænding som en parameter. (Billedkilde: Skyworks Solutions)

PIN-diodearrayet er designet til dæmpningsled med Pi- og Tee-konfiguration og lav forvrængning. Den effektive modstand, RS, er et maksimum på 100 Ω ved 1 mA og 10 Ω ved 10 mA, baseret på en bærerlevetid på 1,5 mikrosekunder (µs). Det er beregnet til anvendelser med distribution af tv-signaler.

Konklusion

Disse dioder med specielle formål er blevet almindelige i elektroniske kredsløbsdesign, da de er en elegant løsning på nøglefunktioner, der tidligere blev udført med nu forældet teknologi. Zenerdioder muliggør lavspændingsreferencer, Schottky-dioder sænker effekttab og giver hurtig omkobling, varactor-dioder muliggør elektronisk indstilling og erstatter større mekaniske variable kondensatorer, og PIN-dioder erstatter elektromekaniske RF-switchkredse med hurtigvirkende RF-omkobling.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Art Pini

Arthur (Art) Pini er en bidragydende forfatter hos Digi-Key Electronics. Han har en kandidatgrad i electrical engineering fra City College i New York og en universitetsgrad i electrical engineering fra City University of New York. Han har over 50 års erfaring inden for elektronik og har arbejdet som nøgleingeniør og i en marketing-rolle hos Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek og Nicolet Scientific. Han har interesser i måleteknologi og omfattende erfaring med oscilloskoper, spektrumanalysatorer, vilkårlige bølgeformgeneratorer, digitaliseringsmaskiner og effektmålere.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører