Základy a aplikace Zenerových, PIN, Schottkyho a Varaktorových diod

Zatímco konvenční křemíkové nebo germaniové diody fungují dobře jako usměrňovače a spínací prvky ve většině elektronických aplikací, funkce jako elektronické ladění, elektronický útlum, nízkoztrátové usměrnění a generování referenčních napětí jsou většinou nad jejich schopnosti. Původně se k plnění těchto úkolů používaly primitivnější, nákladnější a hromadné metody „hrubé síly“. Tyto metody nyní ustoupily elegantnějším diodám pro speciální účely, včetně varaktorových (neboli proměnných kapacitních), PIN, Schottkyho a Zenerových diod.

Každý z těchto typů diod byl navržen vylepšením některých jedinečných charakteristik diod, aby se vyplnily specializované aplikace s nízkonákladovými strukturami diod. Použití těchto speciálních diod snižuje velikost, náklady a neúčinnost konvenčnějších řešení v těchto aplikacích. Typická použití zahrnují spínané napájecí zdroje, mikrovlnné a RF útlumové články, zdroje RF signálu a transceivery.

Tento článek pojednává o úloze a provozu speciálních diod. Poté se podívá na jejich typické vlastnosti pomocí příkladů zSkyworks řešení aON Semiconductor , než skončíte příklady obvodů, abyste ukázali, jak je efektivně používat.

Referenční napětí Zenerovy diody

Zenerovy diody jsou navrženy tak, aby udržovaly pevné napětí na diodě, když je obrácená předpětí. Tato schopnost se používá k poskytování známých referenčních napětí, což je důležitá operace v napájecích zdrojích. Zenerovy diody se také používají k ořezávání nebo omezování průběhů a brání jim v překročení mezí napětí.

Zenerova dioda je vyrobena pomocí vysoce dotovaných pn přechodů, což vede k velmi tenké vrstvě vyčerpání. Výsledné elektrické pole v této oblasti je velmi vysoké i při nízkém použitém napětí. Za těchto podmínek vede jeden ze dvou mechanismů k poruše diody, což má za následek vysoký zpětný proud:

• Za jednoho stavu se Zenerův průraz vyskytuje při napětí nižším než 5 voltů a je výsledkem elektronového kvantového tunelování
• Druhý mechanismus pro zhroucení je, když je napětí vyšší než 5 voltů; porucha je výsledkem lavinového rozpadu nebo nárazové ionizace

V obou případech je funkce diody podobná (obrázek 1).

Obrázek 1: Je znázorněn schematický symbol Zenerovy diody spolu s její charakteristikou proud-napětí. Proudově napěťová charakteristika Zenerovy diody má normální dopřednou vodivostní zónu, ale při obráceném předpětí se rozpadne s konstantním napětím na diodě. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Když je Zenerova dioda v propustném směru, chová se jako standardní dioda. Při zpětném předpětí vykazuje poruchu, když úroveň zpětného předpětí překročí úroveň Zenerova napětí, V_Z . V tomto okamžiku dioda udržuje téměř konstantní napětí mezi katodou a anodou. Minimální proud pro udržení diody v oblasti Zenerova průrazu je I_Zmin ; maximální proud určený jmenovitým ztrátovým výkonem diody je I_Zmax . Proud musí být omezen vnějším odporem, aby se zabránilo přehřátí a selhání. To je znázorněno na schematickém diagramu základního regulátoru napětí založeného na Zenerovi postaveném na ON Semiconductor1N5229B Zenera (obrázek 2).

Obrázek 2: Schéma základního regulátoru napětí využívajícího Zenerovu diodu spolu s odezvou regulace zátěže. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Zenerova dioda 1N5229B má maximální ztrátový výkon 500 miliwattů (mW) při jmenovitém Zenerově napětí 4,3 voltu. Sériový odpor (R1) 75 ohmů (Ω) omezuje ztrátový výkon na 455 mW bez zátěže. Ztrátový výkon klesá s rostoucím proudem zátěže. Křivka regulace zátěže je uvedena pro hodnoty zátěžového odporu 200 Ω až 2 000 Ω.

Kromě regulace napětí lze Zenerovy diody propojit zády k sobě, aby bylo zajištěno řízené omezování napětí na Zenerově napětí plus hodnota poklesu napětí v propustném směru. Zenerův omezovač 4,3 V by omezoval na ±5 voltů. Omezovací aplikace lze rozšířit na obecnější obvody přepěťové ochrany.

Schottkyho dioda

Schottkyho, neboli hotnosičová dioda, je založena na přechodu kov-polovodič (obrázek 3). Kovová strana přechodu tvoří anodovou elektrodu a polovodičová strana je katoda. Při předpětí v propustném směru je maximální úbytek napětí Schottkyho diody v propustném směru v rozsahu 0,2 až 0,5 voltu, v závislosti na propustném proudu a typu diody. Tento nízký pokles napětí v propustném směru je extrémně užitečný, když je Schottkyho dioda použita v sérii se zdrojem energie, jako jsou obvody ochrany proti zpětnému napětí, protože snižuje ztráty energie.

Obrázek 3: Fyzická struktura Schottkyho diody je založena na polovodičovém přechodu typu kov-N, který poskytuje nízký úbytek napětí v propustném směru a velmi rychlé spínací časy. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Další významnou vlastností těchto diod je velmi rychlá spínací doba. Na rozdíl od standardních diod, kterým trvá čas na odstranění náboje z ochuzené vrstvy při přepínání ze zapnutého do vypnutého stavu, nemá Schottkyho dioda žádnou ochlazovací vrstvu spojenou s přechodem kov-polovodič.

Schottkyho diody mají ve srovnání s křemíkovými spojovacími diodami omezené špičkové hodnoty zpětného napětí. To obecně omezuje jejich použití na nízkonapěťové spínané napájecí zdroje. ON Semiconductor1N5822RLG má úctyhodné špičkové reverzní napětí (PRV) 40 voltů a maximální dopředný proud 3 A. Lze jej použít v několika oblastech spínaného zdroje napájení (obrázek 4).

Obrázek 4: Příklady typických aplikací Schottkyho diod v spínaných napájecích zdrojích zahrnují jejich použití pro ochranu obráceného napájení (D1) a potlačení přechodových jevů (D2). (Zdroj obrázku: DigiKey)

Schottkyho diody lze použít k ochraně regulačních obvodů před neúmyslnou aplikací obrácené polarity na vstupu. K tomuto účelu v příkladu slouží dioda D1. Primární výhodou diody v této aplikaci je její nízký propustný úbytek napětí. Důležitější funkcí Schottkyho diody - v tomto případě D2 - je poskytnout zpětnou cestu pro proud přes induktor, L₁ , když se vypínač vypne. D2 musí být rychlá dioda připojená ke krátkému vedení s nízkou indukčností, aby byla tato funkce provedena. Schottkyho diody poskytují nejlepší výkon v této aplikaci pro nízkonapěťové zdroje.

Schottkyho diody také nacházejí uplatnění v RF konstrukcích, kde jsou díky jejich rychlému spínání, nízkým poklesům napětí v propustném směru a nízké kapacitě užitečné pro detektory a přepínače typu sample-and-hold.

Varaktorové diody

Varaktorová dioda, někdy nazývaná varikapová dioda, je spojovací dioda navržená tak, aby poskytovala proměnnou kapacitu. PN přechod je obrácený a kapacitní odpor diody lze měnit změnou použitého DC předpětí (obrázek 5).

Obrázek 5: Varaktorová dioda poskytuje proměnnou kapacitu v závislosti na použitém zpětném předpětí. Čím vyšší je úroveň předpětí, tím nižší je kapacita. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Kapacita varaktoru se mění nepřímo úměrně s aplikovaným stejnosměrným předpětím. Čím vyšší je zpětné předpětí, tím širší je oblast vyčerpání diody, a tudíž nižší kapacita. Tuto změnu lze graficky vidět na grafu kapacity vs. zpětného napětí pro Skyworks SolutionsSMV1801-079LF hyperabrupt junction varactor diode (obrázek 6).

Obrázek 6: Kapacita varaktoru Skyworks Solutions SMV1801-079LF jako funkce zpětného předpětí. (Zdroj obrázku: Skyworks Solutions)

Tyto diody nabízejí vysoké průrazné napětí, předpětí až 28 voltů a lze je použít v širokém rozsahu ladění. Řídicí napětí musí být přivedeno na varaktor, aby nenarušilo předpětí následujícího stupně; je obvykle kapacitně připojen, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7: Varaktorově laděný oscilátor AC spojuje varaktor D1 s oscilátorem přes kondenzátor C1. Řídicí napětí je přiváděno přes rezistor R1. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Varaktor je střídavě připojen k obvodu nádrže oscilátoru přes velký kondenzátor C1. Tím se izoluje varaktor D1 od předpětí tranzistoru a naopak. Řídicí napětí je přiváděno přes oddělovací odpor R1.

Varaktory mohou nahradit proměnné kondenzátory v jiných aplikacích, jako je ladění RF nebo mikrovlnných filtrů, ve frekvenčních nebo fázových modulátorech, ve fázových posunovačích nebo v násobičích frekvence.

PIN diody

PIN dioda se používá buď jako spínač nebo útlum na RF a mikrovlnných frekvencích. Je tvořena vložením vnitřní polovodičové vrstvy s vysokým odporem mezi vrstvy typu P a typu N konvenční diody; odtud název PIN, který odráží strukturu diody (obrázek 8).

Nezaujatá nebo obráceně zaujatá dioda nemá žádný náboj uložený ve vnitřní vrstvě. Toto je stav vypnutí při přepínání aplikací. Vložením vnitřní vrstvy se zvětší efektivní šířka ochuzovací vrstvy diody, což má za následek velmi nízkou kapacitu a vyšší průrazná napětí.

Obrázek 8: Struktura PIN diody obsahuje vrstvu vnitřního polovodičového materiálu mezi P a N materiálem anodové a katodové elektrody. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Předepsaná podmínka vede k tomu, že díry a elektrony jsou vstřikovány do vnitřní vrstvy. Těmto nosičům nějakou dobu trvá, než se vzájemně rekombinují. Tato doba se označuje jako životnost nosiče, t.j. Existuje zprůměrovaný uložený náboj, který snižuje efektivní odpor vnitřní vrstvy na minimální odpor, R_S . V dopředném předpětí se dioda používá jako RF útlum.

Skyworks Solutions'SMP1307-027LF Pole diod PIN kombinuje čtyři diody PIN ve společném pouzdře pro použití jako RF/mikrovlnný útlum ve frekvenčním rozsahu 5 megahertz (MHz) až 2 gigahertz (GHz) (obrázek 9).

Obrázek 9: Obvod útlumové diody PIN založený na poli diod PIN Skyworks Solutions SMP1307-027LF. Graf ukazuje útlum vs. frekvence s řídicím napětím jako parametrem. (Zdroj obrázku: Skyworks Solutions)

Pole PIN diod je navrženo pro tlumiče konfigurace Pi a T s nízkým zkreslením. Efektivní odpor, R_S , je maximálně 100 Ω při 1 mA a 10 Ω při 10 mA, na základě životnosti nosiče 1,5 mikrosekundy (µs). Je určen pro aplikace distribuce TV signálu.

Závěr

Tyto speciální diody se staly základem návrhů elektronických obvodů tím, že poskytují elegantní řešení klíčových funkcí, které dříve zajišťovala dnes již zastaralá technologie. Zenerovy diody umožňují nízkonapěťové reference; Schottkyho diody snižují energetické ztráty a poskytují rychlé spínání; varaktorové diody umožňují elektronické ladění a nahrazují objemné mechanické proměnné kondenzátory; a PIN diody nahrazují elektromechanické RF spínače s rychle působícím RF spínáním.