Grundprinciper och användning av zener-, PIN-, schottky- och varaktordioder.

Vanliga silikon- eller germaniumdioder fungerar bra som likriktare och switchningselement i de allra flesta elektroniktillämpningar, men funktioner som elektronisk avstämning, elektronisk dämpning, korrigering med låg förlust och generering av spänningsreferens ligger i stort sett bortom deras kapacitet. Ursprungligen användes mer primitiva, kostsamma och grövre metoder för att utföra dessa åtgärder. Dessa metoder har nu fått lämna plats för mer precisa, specialbyggda dioder, inklusive varaktor- (eller med variabel kapacitans), PIN-, schottky- och zener-dioder.

Var och en av dessa diodtyper har tagits fram genom att förstärka någon av diodernas unika egenskaper för att uppfylla nischade användningar med kostnadseffektiva diodstrukturer. Användningen av dessa specialinriktade dioder minskar storleken, kostnaden och ineffektiviteten hos de mer konventionella lösningarna i dessa tillämpningar. Typiska användningar är strömförsörjningar med switchläge, mikrovågs- och RF-dämpare, RF-signalkällor och sändtagare.

Den här artikeln diskuterar de specialanpassade diodernas roll och funktion. Därefter går den igenom typiska egenskaper med exempel från Skyworks Solutions och ON Semiconductor innan den avslutas med kretsexempel som visar hur de kan användas effektivt.

Spänningsreferens med zenerdioder

Zenerdioder är konstruerade för att hålla en fast spänning över dioden när den har omvänd biasering. Den här kapaciteten används för att ge kända referensspänningar, en viktig funktion i strömförsörjningar. Zenerdioder används även för att klippa av eller begränsa vågformer och hindra dem från att överskrida spänningsgränserna.

Zenerdioden tillverkas endast med högdopade p-n-övergångar vilket ger ett mycket tunt tömningslager. Det resulterande elektriska fältet i det här området är mycket högt även vid låg anbringad spänning. Under dessa förhållanden orsakar en av de två mekanismerna överslag i dioden, vilket ger hög omvänd ström:

• I en situation sker Zener-genombrott vid spänningar under 5 volt, vilket beror på den kvantmekaniska tunneleffekten på elektronerna
• Den andra genombrottsmekanismen är när spänningarna är högre än 5 volt. Genombrottet sker till följd av lavingenombrott eller stötjonisering

Diodfunktionen är liknande i båda fallen (figur 1).

Figur 1: Den schematiska symbolen för en zenerdiod visas tillsammans med dess karaktäristiska kurva för ström och spänning. Ström- och spänningsegenskaperna för en zenerdiod har ett normalt framåtledningsområde, men vid omvänd biasering sker genombrott med konstant spänning över dioden. (Bildkälla: DigiKey)

När zenerdioden är framåtbiaserad beter den sig som en standarddiod. Under bakåtbiasering bryts den ned när bakåtbiaseringsnivån överskrider zenerspänningsnivån, V_Z. Vid det här tillfället håller dioden en nästan konstant spänning mellan katoden och anoden. Minimiströmmen för att hålla dioden i zenergenombrottsområdet region är I_Zmin. Den maximala strömmen som avgörs av diodens märkeffektförlust är I_Zmax. Strömmen måste begränsas med externt motstånd för att hindra överhettning och fel. Detta visas i schemat för en grundläggande zenerbaserad spänningsregulator som byggts runt ON Semiconductors 1N5229B Zener (figur 2).

Figur 2: Schema över en grundläggande spänningsregulator med en zenerdiod, tillsammans med lastregleringssvar. (Bildkälla: DigiKey)

Zenerdioden 1N5229B har en maximal effektförlust på 500 milliwatt (mW) vid en nominell Zener-spänning på 4,3 volt. Den seriekopplade resistorn på 75 ohm (Ω) (R1) begränsar effektförlusten till 455 mW utan belastning. Effektförlusten minskar med ökande belastningsström. Lastregleringskurvan visas för lastmotståndsvärden på 200 till 2 000 Ω.

Utöver spänningsreglering kan zenerdioder anslutas baksida till baksida för att ge kontrollerad spänningsbegränsning av zenerspänningen plus framåtspänningens sänkningsvärde. En zenerbegränsare på 4,3 volt begränsar vid ±5 volt. Begränsande tillämpningar kan utökas till mer generella överspänningsskyddskretsar.

Schottky-diod

Schottkydioden baseras på en metall-till-halvledar-övergång (figur 3). Metallsidan av övergången bildar en anodelektrod och halvledarsidan är katoden. Vid biasering framåt är det maximala framspänningsfallet för schottkydioden i området 0,2 till 0,5 volt, beroende på framströmmen och diodtypen. Det här låga framspänningsfallet är mycket användbart när schottkydioden seriekopplas med en strömkälla, som i backspänningsskyddskretsarna eftersom det minskar effektförlusterna.

Figur 3: Schottkydiodens fysiska struktur baseras på en halvledarövergång av metall-till-N-typ vilket ger lågt framåtspänningsfall och mycket snabba omkopplingstider. (Bildkälla: DigiKey)

Den andra viktiga egenskapen hos dessa dioder är deras snabba omkopplingstid. Till skillnad från standarddioder som tar tid på sig att avlägsna laddning från tömningslagret vid omkoppling från till- till från-status har schottkydioden inget tömningslager förknippat med metall-halvledarövergången.

Schottkydioden har begränsade toppbackspänningsvärden jämfört med silikonövergångsdioder. Detta begränsar i stort sett deras användningsområde till strömförsörjningar med lågspänningsomkoppling. ON Semiconductor 1N5822RLG har en respektabel PRV-klassning (Peak Reverse Voltage) på 40 volt och en maximal framström på 3 A. Den kan användas på flera områden i ett switchat nätaggregat (figur 4).

Figur 4: Exempel på typiska tillämpningar för Schottky-dioder i SMPS-strömförsörjningar inkluderar dess användning för skydd mot omvänd strömriktning (D1) och skydd mot transientströmmar (D2). (Bildkälla: DigiKey)

Schottkydioder kan användas för att skydda regulatorkretsar mot oavsiktlig omvänd polaritet vid inmatningen. Dioden D1 har det syftet i exemplet. Den primära fördelen med dioden i den här tillämpningen är dess låga framspänningsfall. En viktigare funktion för en schottkydiod – i det här fallet D2 – är att tillhandahålla en returväg för ström genom induktorn, L₁, när strömställaren stängs av. D2 måste vara en snabb diod som anslutits med korta ledningar med låg induktans för att uppnå den här funktionen. Schottkydioder erbjuder bästa möjliga prestanda i denna tillämpning för lågspänningsförsörjningar.

Schottkydioder används även i RF-konstruktioner där deras snabba omkoppling, låga framspänningsfall och låga kapacitans gör dem användbara för detektorer och sample-and-hold-strömställare.

Varaktordioder

Varaktordioden, ibland kallad kapacitansdiod, är en övergångsdiod som är utformad för att ge variabel kapacitans. P-N-övergången har omvänd biasering och diodens kapacitans kan varieras genom att ändra den applicerade DC-biasen (figur 5).

Figur 5: Varaktordioden ger variabel kapacitans beroende på tillämpad omvänd bias. Ju högre biasnivå desto lägre kapacitans. (Bildkälla: DigiKey)

Varaktorns kapacitans är omvänt variabel med den applicerade DC-biasen. Ju högre omvänd bias, desto bredare diodtömningsområde och därigenom lägre kapacitans. Den här variationen kan visas grafiskt i kurvan med kapacitans och omvänd spänning för Skyworks Solutions SMV1801-079LF-varaktordiod med hyperabrupt övergång (figur 6).

Figur 6: Kapacitansen hos en Skyworks Solutions SMV1801-079LF-varaktor som funktion av den omvända biasspänningen. (Bildkälla: Skyworks Solutions)

Dessa dioder erbjuder hög genombrottsspänning, biasspänningar på upp till 28 volt och kan tillämpas över ett stort inställningsområde. Styrspänningen måste tillämpas på varaktorn för att inte störa biaseringen av följande steg. Det är normalt kapacitivt kopplat enligt figur 7.

Figur 7: En varaktorinställd oscillator AC-kopplar varaktorn, D1, till oscillatorn via kondensatorn C1. Styrspänningen tillämpas via resistor R1. (Bildkälla: DigiKey)

Varaktorn AC-kopplas till oscillatortankkretsen via en stor kondensator, C1. Detta isolerar varaktorn D1 från transistorns biasspänningar och vice versa. Styrspänningen tillämpas via isoleringsresistorn, R1.

Varaktorer kan ersätta variabla kondensatorer i andra tillämpningar, som vid inställning av RF- eller mikrovågsfilter, i frekvens- eller fasmodulatorer, i fasväxlare eller i frekvensmultiplikatorer.

PIN-dioder

PIN-dioden används som antingen en switch eller en dämpare vid RF- och mikrovågsfrekvenser. Den konstrueras genom att lägga ett odopat halvledarlager med hög resistans mellan P- och N-typlagren i en konventionell diod med det engelska namnet intrinsic layer, vilket ger förkortningen PIN, som reflekterar diodens struktur (figur 8).

Den obiaserade eller omvänt biaserade dioden har ingen laddning lagrad i i-lagret. Detta är av-villkoret för omkopplingstillämpningar. Infogandet av i-lagret ökar effektivitetsbredden hos diodens tömningslager, vilket leder till mycket låg kapacitans och högre överslagsspänningar.

Figur 8: PIN-diodens struktur inkluderar ett lager av i-halvledarmaterial mellan P- och N-materialet hos anod- och katodelektronerna. (Bildkälla: DigiKey)

Det förspända tillståndet leder till att hål och elektroner överförs till det odopade lagret. Det tar en viss tid för dessa bärare att rekombineras med varandra. Tiden kallas bärarlivstid, t. Det finns en genomsnittlig lagrad laddning som sänker den effektiva resistansen hos det odopade lagret till en minimal resistans, R_S. I det framåtbiaserade tillståndet används dioden som RF-dämpare.

Skyworks Solutions SMP1307-027LF PIN-dioduppsättning kombinerar fyra PIN-dioder i ett gemensamt paket som används som RF/mikrovågsdämpare i frekvensområdet 5 megahertz (MHz) till 2 gigahertz (GHz) (figur 9).

Figur 9: En PIN-dioddämparkrets baserad på Skyworks Solutions SMP1307-027LF PIN-dioduppsättning. Kurvan visar dämpning jämfört med frekvens med styrspänning som en parameter. (Bildkälla: Skyworks Solutions)

PIN-dioduppsättningen är utformad för Pi- och T-konfigurationsdämpare med låg distorsion. Den effektiva resistansen, R_S, är maximal 100 Ω vid 1 mA och 10 Ω vid 10 mA, baserat på en bärarlivstid på 1,5 mikrosekunder (µs). Den är avsedd för tillämpningar inom TV-signalfördelning.

Sammanfattning

Dessa specialiserade dioder har blivit välbekanta delar i elektronikkretsar i och med att de erbjuder en elegant lösning på viktiga funktioner som tidigare utfördes med numer föråldrad teknik. Zenerdioder möjliggör lågspänningsreferenser, schottkydioder sänker effektförluster och ger snabb omkoppling, varaktordioder möjliggör elektronisk avstämning och ersätter utrymmeskrävande mekaniska variabla kondensatorer medan PIN-dioder ersätter elektromekaniska RF-omkopplare med snabb RF-omkoppling.