Grunnprinsipper og bruken av zener-, PIN-, schottky- og varaktordioder

Selv om tradisjonelle silisium- eller germaniumdioder fungerer fint som likerettere og svitsjelementer i mye elektronikk, er funksjoner som elektronisk Innstilling (tuning), elektronisk demping (attenuasjon), likeretting med lave tap og danning av spenningsreferanse stort sett ikke funksjoner disse diodene har. Opprinnelig ble det brukt mer primitive, kostbare og omfattende «brute force»-metoder for å klare disse oppgavene. Disse metodene overgås nå av mer elegante dioder til spesialformål, blant annet varaktor- (eller variabel kapasitans), PIN-, schottky- og zenerdioder.

Hver av disse diodetypene ble konstruert ved å forbedre noen unike diodeegenskaper for å fylle et nisjebruksområde ved diodestrukturer med lav kostnad. Bruk av disse spesialdiodene reduserer størrelsen, kostnaden og ineffektiviteten i mer tradisjonelle løsninger på disse bruksområdene. Typiske bruksområder omfatter strømforsyninger med brytermodus, mikrobølge- og RF-attenuatorer, RF-signalkilder og transceivere.

Denne artikkelen handler om hvordan disse spesialdiodene fungerer og hvilken rolle de har. Den ser deretter på de typiske egenskapene med eksempler fra Skyworks Solutions og ON Semiconductor, før den avslutter med kretseksempler for å vise hvordan de brukes mest effektivt.

Spenningsreferanse for zenerdiode

Zenerdioder er konstruert for å opprettholde en fast spenning i hele dioden når den er i sperrespenning. Denne egenskapen brukes til å gi kjente referansespenninger, som er viktig i strømforsyninger. Zenerdioder brukes også til å kutte eller begrense bølgeformer slik at de ikke overstiger spenningsgrensene.

Zenerdioden produseres med svært dopede p-n-koblinger, som fører til et svært tynt sperresjikt. Det resulterende elektriske feltet i dette området er vært høyt, også med lav klemmespenning. Under disse forholdene fører en av to mekanismer til at dioden bryter sammen, noe som fører til høy reversstrøm:

• Det ene forholdet gjør at det oppstår et zenergjennombrudd ved spenning lavere enn 5 volt, og resultatet etter elektronkvantetunneleffekt
• Den andre mekanismen for sammebrudd er når spenningen er høyere enn 5 volt. Bruddet er en følge av et ikke-destruktivt sammenbrudd eller støtionisering

I begge tilfeller er diodedriften lignende (figur 1).

Figur 1: Skjemaet for en zenerdiode vises sammen med dens karakteristiske strøm-spenningskurve. Strøm-spenningsegenskapene til en zenerdiode har en normal ledekonduktanssone, men med sperrespenning, bryter den sammen med konstant spenning i hele dioden. (Bildekilde: DigiKey)

Når zenerdioden har forspenning, opptrer den som en vanlig diode. Med sperrespenning får den sammenbrudd når sperrespenningsnivået overstiger zenerspenningsnivået, V_Z. På dette tidspunktet opprettholder dioden den nesten konstante spenningen mellom katoden og anoden. Minimumsstrømmen for å holde dioden i zenergjennombruddsområdet er I_Zmin. Maksimalstrømmen som fastsettes av diodens nominelle kapasitetsavledning, er I_Zmax. Strømmen må begrenses av ekstern motstand for å hindre overoppheting og svikt. Dette vises i diagrammet av en grunnleggende zenerbasert spenningsregulator som er bygget rundt ON Semiconductors 1N5229B Zener (figur 2).

Figur 2: Diagram over en grunnleggende spenningsregulator med zenerdiode, sammen med lastreguleringsrespons. (Bildekilde: DigiKey)

1N5229B-zenerdioden har en maksimal avledning på 500 milliwatts (mW) ved nominell zenerspenning på 4,3 volt. 75 ohm (Ω)-seriemotstanderen (R1) begrenser effekttapet til 455 mW uten belastning. Effekttapet faller med økende lastestrøm. Lastreguleringskurven vises for lastemotstand på 200 Ω til 2000 Ω.

I tillegg til spenningsregulering kan zenerdioder kobles mot hverandre for å gi en styrt spenningbegrensning ved zenerspenningen, pluss spenningsfallverdien i ledespenningen (foroverspenningen). En 4,3 volt zenerbegrenser begrenser ved ±5 volt. Begrenserfunksjonen kan utvides til mer generelle overspenningsvernkretser.

Schottky-dioden

Schottky, eller varmebærerdiode, er basert på en metall til halvleder-kobling (figur 3). Metallsiden av koblingen danner anodeelektroden og halvledersiden er katoden. Ved forspenning er schottky-diodens maksimale spenningsfall i ledespenningen (foroverspenningen) i området 0,2 til 0,5 volt, avhengig av for foroverstrøm og diodetype. Dette lave spenningsfallet i ledespenningen (foroverspenningen) er svært nyttig når schottky-dioden brukes i serie med en strømkilde, f.eks. i beskyttelseskretser mot reversspenning, siden det reduserer spenningstapene.

Figur 3: En schottky-diodes fysiske struktur er basert på en metall-til-N-halvlederkontakt som gir lavt spenningsfall i ledespenningen (foroverspenningen) og svært rask koblingstid. (Bildekilde: DigiKey)

Den andre viktige egenskapen til disse diodene er svært rask koblingstid. I motsetning til standarddioder som bruker tid på å fjerne oppladingen fra sperresjiktet ved kobling fra på til av, har ikke schottky-dioden noe sperresjikt i tilknytning til metallhalvederkoblingen.

Schottky-dioder har begrenset reversspenningsgrad for topper sammenlignet med dioder med silisiumkoblinger. Dette begrenser vanligvis bruksområdet til strømforsyninger med lavspenning og i koblingsmodus. ON Semiconductor1N5822RLG har en respektabel peak reverse voltage (PRV) rating på 40 volt og en maksimal foroverstrøm på 3 A. Den kan brukes i flere områder av en strømforsyning med byttet modus (Figur 4).

Figur 4: Eksempler på typiske bruksområder for schottky-dioder i strømforsyninger i koblingsmodus, omfatter bruk i revers-strømvern (D1) og transient undertrykkelse (D2). (Bildekilde: DigiKey)

Schottky-dioder kan brukes til å beskytte regulatorkretser mot utilsiktet bruk av reversert polaritet ved inngangen. Diode D1 blir benyttet til dette i eksempelet. Hovedfordelen med dioden til dette bruksområdet er det lave spenningsfallet i ledespenningen (foroverspenningen). En viktigere funksjon for en schottky-diode – i dette tilfellet D2 – er å gi en returbane for strømmen gjennom induktoren, L₁, når bryteren slås av. D2 må være en rask diode som er koblet til med en kort lavinduktansledning for å oppnå denne funksjonen. Schottky-dioder gir den beste ytelsen til dette bruksområdet for lavspenningstilførsel.

Schottky-dioder kan også brukes i RF-konstruksjoner der raske koblinger, lave spenningsfall i ledespenningen (foroverspenningen) og lav kapasitans gjør dem nyttige til detektorer og avsøkings- og holdevekslere.

Varaktor dioder

Varaktordioden, som også kalles en varicap-diode, er en flatediode som er laget for å gi variabel kapasitans. P-N-koblingen har sperrespenning, og diodens kapasitans kan varieres ved å endre DC-sperringen som brukes (figur 5).

Figur 5: Varaktordioden gir variabel kapasitans avhengig av den anvendte sperrespenningen.  Jo høyere sperrenivået er, desto lavere blir kapasitansen. (Bildekilde: DigiKey)

Varaktorens kapasians varierer omvendt i forhold til anvendt likestrømsformagnetisering (DC bias). Jo høyere sperrespenningen er, desto bredere blir diodens sperreområde, og dermed blir kapasitansen lavere. Denne variasjonen er synlig i kapasians kontra reverspenningdiagrammet for Skyworks Solutions’ SMV1801-079LF varaktordiode med hyperabrupt kobling (figur 6).

Figur 6: Kapasitansen i en Skyworks Solutions SMV1801-079LF-varaktor som en funksjon av sperrespenningen. (Bildekilde: Skyworks Solutions)

Disse diodene gir høy gjennombruddsspenning, forspenning så høy som 28 volt, og kan brukes i et bredt frekvensområde. Styrespenningen må tilføres varaktoren slik at den ikke forstyrrer sperringen av følgende trinn – den blir vanligvis kapasitivt koblet som vist i figur 7.

Figur 7: A varaktorfrekvens oscillator-AC (vekselstrøm) kobler varaktoren, D1, til oscillatoren gjennom kondensator C1.  Styrespenningen påføres gjennom motstand R1. (Bildekilde: DigiKey)

Varaktoren er AC (vekselstrøm)-koblet til oscillatorens anodesvingekrets gjennom en stor kondensator, C1. Dette isolerer varaktoren, D1, fra transistorens forspenning, og motsatt. Styrespenningen påføres gjennom den isolerende motstanden, R1.

Varaktorer kan erstatte regulerbare kondensatorer i andre bruksområder, f.eks. regulering av RF- eller mikrobølgefiltere, i frekvens- eller fasemodulatorer, i fasevekslere eller i frekvensmultiplikatorer.

PIN-dioder

PIN-dioden brukes enten som en bryter eller en attenuator (demper) ved RF- og mikrobølgefrekvenser. Den dannes ved å plassere et svært motstandsdyktig intrinsikhalvlederskikt mellom P-type- og N-typelagene i en konvensjonell diode, derav navnet PIN, som betegner diodens struktur (figure 8).

Dioden med forspenning eller sperrespenning har ingen ladning i intrinsik-skiktet. Dette er vekslerens av-tilstand. Innsettingen av intrinsik-skiktet øker den effektive bredden av diodens sperreskikt, noe som fører til svært lav kapasitans og høyere gjennombruddsspenning.

Figur 8: En PIN-diodes struktur omfatter et lag intrinsik halvledermateriale mellom P- og N-materialet i henholdsvis anode- og katodeelektrodene. (Bildekilde: DigiKey)

Forspenningstilstanden fører til at defektelektroner og elektroner føres inn i intrinsik-laget. Det tar litt tid før disse bærerne kan kombineres med hverandre på nytt. Denne tiden kalles bærertid, t. Det er en gjennomsnittlig reststrøm som senker den effektive motstanden i intrinsik-skiktet til en minimumsmotstand, R_S. I forspenningstilstand brukes dioden som RF-attenuator.

Skyworks Solutions’ SMP1307-027LF PIN-diodematrise combinerer fire PIN-dioder en felles pakke til bruk som RF-/mikrobølgeattenuator over i frekvensområdet 5 megahertz (MHz) til 2 gigahertz (GHz) (figur 9).

Figur 9: A PIN-diodeattenuatorkrets basert på Skyworks Solutions sin SMP1307-027LF PIN-diodematrise. Diagrammet viser attenuasjon kontra frekvens med styrespenning som parameter. (Bildekilde: Skyworks Solutions)

PIN-diodematrisen er konstruert for Pi og Tee-konfigureringsattenuatorer med lav forvrengning. Den effektive motstanden, R_S, er maksimalt 100 Ω ved 1 mA og 10 Ω ved 10 mA, basert på en bærertid på 1,5 mikrosekunder (µs). Den er ment for TV-signaldistribusjon.

Konklusjon

Disse spesialdiodene er blitt vanlige innen utforming av elektroniske kretser ved å gi en elegant løsning på viktige funksjoner som tidliger ble oppnådd med nå utdatert teknologi. Zenerdioder muliggjør lavspenningsreferanser, schottky-dioder senker spenningstapene og gir rask veksling, varaktordioder muliggjør elektronisk tuning og ersatter plasskrevende mekaniske regulerbare kondensatorer, og PIN-dioder erstatter elektromekaniske RF-brytere med rask RF-veksling.