A Zener, PIN, Schottky és Varactor diódák alapjai és alkalmazása

Míg a hagyományos szilícium- vagy germániumdiódák az elektronikai alkalmazások többségében jól működnek egyenirányítóként és kapcsolóelemként, az olyan funkciók, mint az elektronikus hangolás, az elektronikus csillapítás, az alacsony veszteségű egyenirányítás és a feszültségreferencia előállítása többnyire meghaladja képességeiket. Eredetileg primitívebb, költségesebb és tömegesebb "nyers erő" módszereket használtak e feladatok elvégzésére. Ezek a módszerek mára átadták helyüket az elegánsabb, speciális célú diódáknak, beleértve a varaktor (vagy változó kapacitású), PIN, Schottky és Zener diódákat.

Mindegyik diódatípust a diódák néhány egyedi tulajdonságának fokozásával tervezték, hogy alacsony költségű diódaszerkezetekkel töltsenek be hiányos alkalmazásokat. Ezeknek a speciális célú diódáknak a használata csökkenti a hagyományosabb megoldások méretét, költségeit és hatékonyságát ezekben az alkalmazásokban. Tipikus felhasználási területei közé tartoznak a kapcsolóüzemű tápegységek, mikrohullámú és RF csillapítók, RF jelforrások és adó-vevő készülékek.

Ez a cikk a speciális célú diódák szerepét és működését tárgyalja. Ezután a Skyworks Solutions és az ON Semiconductor példáin keresztül megvizsgálja a tipikus jellemzőiket, majd áramköri példákkal fejezi be a hatékony használatukat.

Zener dióda feszültségreferencia

A Zener-diódákat úgy tervezték, hogy fordított előfeszítés esetén a diódán állandó feszültséget tartsanak fenn. Ezt a képességet ismert referenciafeszültségek biztosítására használják, ami fontos művelet a tápegységeknél. A Zener-diódákat a hullámformák levágására vagy korlátozására is használják, megakadályozva, hogy azok túllépjék a feszültséghatárokat.

A Zener-diódát erősen adalékolt p-n átmenetekkel gyártják, ami nagyon vékony kimerülési réteget eredményez. A keletkező elektromos mező ebben a régióban még alacsony alkalmazott feszültségek esetén is nagyon nagy. Ilyen körülmények között a két mechanizmus közül bármelyik a dióda meghibásodását eredményezi, ami nagy fordított áramot eredményez:

• Az egyik feltétel szerint a Zener-összeomlás 5 voltnál kisebb feszültségnél következik be, és az elektronok kvantum-alagútjának eredménye.
• A második mechanizmus az 5 voltnál nagyobb feszültségek esetén következik be; a meghibásodás lavinaszerűen vagy ütközéses ionizációval jön létre.

A dióda működése mindkét esetben hasonló (1. ábra).

1. ábra: A Zener-dióda sematikus szimbóluma és áram-feszültség jelleggörbéje látható. A Zener-dióda áram-feszültség karakterisztikája normál előremenő vezetési zónával rendelkezik, de fordított előfeszítés esetén a dióda állandó feszültséggel a dióda felett megszakad. (Kép forrása: DigiKey)

Amikor a Zener-dióda előrefelé van előfeszítve, úgy viselkedik, mint egy hagyományos dióda. Fordított előfeszítés esetén akkor mutatkozik meghibásodás, amikor a fordított előfeszítés szintje meghaladja a Zener feszültségszintet, _VZ. Ezen a ponton a dióda közel állandó feszültséget tart fenn a katód és az anód között. A legkisebb áram, amellyel a dióda a Zener-áttörési tartományban tartható, az _IZmin; a dióda névleges teljesítményleadása által meghatározott maximális áram az _IZmax. Az áramot külső ellenállással kell korlátozni a túlmelegedés és a meghibásodás megelőzése érdekében. Ezt mutatja az ON Semiconductor 1N5229B Zener 1N5229B Zener köré épített alapvető Zener-alapú feszültségszabályozó kapcsolási rajza (2. ábra).

2. ábra: Egy Zener-diódát használó alapvető feszültségszabályozó kapcsolási rajza, valamint a terhelésszabályozási válasz. (Kép forrása: DigiKey)

Az 1N5229B Zener-dióda maximális disszipációja 500 milliwatt (mW) 4,3 voltos névleges Zener-feszültség mellett. A 75 ohmos (Ω) soros ellenállás (R1) 455 mW-ra korlátozza a teljesítményleadást terhelés nélkül. A teljesítményleadás a terhelési áram növekedésével csökken. A terhelésszabályozási görbe 200 Ω és 2000 Ω közötti terhelési ellenállás értékek esetén látható.

A feszültségszabályozás mellett a Zener-diódák egymás mögé is beköthetők, hogy a Zener-feszültség és az előremenő feszültségesés értéke mellett szabályozott feszültségkorlátozást biztosítsanak. Egy 4,3 voltos Zener-korlátozó ±5 voltnál korlátozná a feszültséget. A korlátozó alkalmazások kiterjeszthetők általánosabb túlfeszültség-védelmi áramkörökre is.

A Schottky-dióda

A Schottky- vagy forró hordozós dióda egy fém-félvezető átmenetre épül (3. ábra). Az elágazás fém oldala képezi az anódelektródot, a félvezető oldala pedig a katódot. Előreirányú előfeszítés esetén a Schottky-dióda maximális előreirányú feszültségesése 0,2 és 0,5 volt között van, az előreirányú áramtól és a dióda típusától függően. Ez az alacsony előremenő feszültségesés rendkívül hasznos, amikor a Schottky-diódát sorosan használják egy áramforrással, például fordított feszültségvédelmi áramkörökben, mivel csökkenti a teljesítményveszteséget.

3. ábra: A Schottky-dióda fizikai felépítése egy fém-N-típusú félvezető-összeköttetésen alapul, ami alacsony előremenő feszültségesést és nagyon gyors kapcsolási időt eredményez. (Kép forrása: DigiKey)

E diódák másik jelentős jellemzője a nagyon gyors kapcsolási idő. A hagyományos diódáktól eltérően, amelyeknek időbe telik a töltés eltávolítása a fogyatkozási rétegből, amikor bekapcsolt állapotból kikapcsolt állapotba kapcsolnak, a Schottky-dióda nem rendelkezik a fém-félvezető átmenethez kapcsolódó fogyatkozási réteggel.

A Schottky-diódáknak a szilícium-csomóponti diódákhoz képest korlátozott fordított csúcsfeszültségű névleges értékük van. Ez általában alacsony feszültségű kapcsolóüzemű tápegységekre korlátozza a használatukat. Az ON Semiconductor 1N5822RLG tekintélyes, 40 voltos fordított csúcsfeszültséggel (PRV) és 3 A maximális előremenő árammal rendelkezik. A kapcsolóüzemű tápegység több területén is alkalmazható (4. ábra).

4. ábra: A Schottky-diódák tipikus alkalmazási példái a kapcsolóüzemű tápegységekben, például a fordított áramvédelem (D1) és a tranziensek elnyomása (D2). (Kép forrása: DigiKey)

A Schottky-diódák a szabályozó áramkörök védelmére használhatók a bemenetre történő véletlen fordított polaritással szembeni védelemre. A D1 dióda ezt a célt szolgálja a példában. A dióda elsődleges előnye ebben az alkalmazásban az alacsony előremenő feszültségesés. A Schottky-dióda - ebben az esetben a D2 - fontosabb funkciója, hogy a kapcsoló kikapcsolásakor az _L1 induktivitáson átfolyó áramnak visszatérési utat biztosítson. A D2-nek egy gyors diódának kell lennie, amelyet rövid, kis induktivitású vezetékkel kell összekötni, hogy ezt a funkciót betöltse. A Schottky-diódák nyújtják a legjobb teljesítményt ebben az alkalmazásban az alacsony feszültségű tápegységek esetében.

A Schottky-diódák az RF-konstrukciókban is alkalmazhatók, ahol gyors kapcsolásuk, alacsony előremenő feszültségesésük és alacsony kapacitásuk miatt hasznosak a detektorok és a mintavételezés és tartás kapcsolók számára.

Varaktor diódák

A varaktor dióda, amelyet néha varicap diódának is neveznek, egy olyan csatlakozó dióda, amelyet úgy terveztek, hogy változó kapacitást biztosítson. A P-N átmenet fordított előfeszítésű, és a dióda kapacitása az alkalmazott egyenáramú előfeszítés változtatásával változtatható (5. ábra).

5. ábra: A varaktor dióda változó kapacitást biztosít az alkalmazott fordított előfeszítés függvényében. Minél magasabb az előfeszítési szint, annál kisebb a kapacitás. (Kép forrása: DigiKey)

A varaktor kapacitása fordítottan változik az alkalmazott egyenáramú előfeszítéssel. Minél nagyobb a fordított előfeszítés, annál szélesebb a dióda kimerülési tartománya, és ennélfogva annál kisebb a kapacitás. Ez a változás grafikusan látható a Skyworks Solutions SMV1801-079LF hiperabrupt csomóponti varaktor dióda kapacitásának és a fordított feszültségnek a függvényében (6. ábra).

6. ábra: A Skyworks Solutions SMV1801-079LF varaktor kapacitása a fordított előfeszítés függvényében. (Kép forrása: Skyworks Solutions)

Ezek a diódák magas átütési feszültséget, akár 28 voltos előfeszültséget kínálnak, és széles hangolási tartományban alkalmazhatók. A vezérlőfeszültséget úgy kell a varaktorra vezetni, hogy az ne zavarja meg a következő fokozat előfeszítését; ez általában kapacitív csatolású, ahogy a 7. ábrán látható.

7. ábra: A varaktorral hangolt oszcillátor AC a D1 varaktort a C1 kondenzátoron keresztül kapcsolja az oszcillátorhoz. A vezérlőfeszültséget az R1 ellenálláson keresztül adjuk. (Kép forrása: DigiKey)

A varaktort egy nagy kondenzátoron (C1) keresztül váltakozó áramú csatolással kapcsolják az oszcillátor tartályköréhez. Ez elszigeteli a D1-es varaktort a tranzisztorok előfeszítéseitől, és fordítva. A vezérlőfeszültséget az R1 szigetelőellenálláson keresztül adjuk.

A varaktorok más alkalmazásokban, például RF- vagy mikrohullámú szűrők hangolásában, frekvencia- vagy fázismodulátorokban, fáziseltolókban vagy frekvenciaszorzókban helyettesíthetik a változtatható kondenzátorokat.

PIN diódák

A PIN-diódát RF- és mikrohullámú frekvenciákon kapcsolóként vagy csillapítóként használják. Úgy jön létre, hogy a hagyományos dióda P-típusú és N-típusú rétegei közé egy nagy ellenállású belső félvezető réteget helyeznek; innen ered a PIN elnevezés, amely tükrözi a dióda szerkezetét (8. ábra).

Az előfeszítés nélküli vagy fordított előfeszítésű dióda belső rétegében nincs tárolt töltés. Ez a kapcsoló alkalmazások kikapcsolt állapota. Az intrinsic réteg beillesztése megnöveli a dióda fogyatkozási rétegének effektív szélességét, ami nagyon alacsony kapacitást és magasabb átütési feszültséget eredményez.

8. ábra: A PIN-dióda szerkezete tartalmaz egy intrinsic félvezető anyagból készült réteget az anód- és katódelektródok P és N anyaga között. (Kép forrása: DigiKey)

Az előrefelé előfeszített állapot azt eredményezi, hogy lyukak és elektronok injektálódnak az intrinsic rétegbe. Ezeknek a hordozóknak időbe telik, amíg újra egyesülnek egymással. Ezt az időt nevezzük a vivő élettartamának, t. Van egy átlagosan tárolt töltés, amely az intrinsic réteg effektív ellenállását egy minimális ellenállásig,_RS-ig csökkenti. Előrefeszített állapotban a dióda RF-csillapítóként működik.

A Skyworks Solutions SMP1307-027LF PIN-diódasorozata négy PIN-diódát egyesít egy közös csomagolásban, amely RF/mikrohullámú csillapítóként használható az 5 megahertz (MHz) és 2 gigahertz (GHz) közötti frekvenciatartományban (9. ábra).

9. ábra: A Skyworks Solutions SMP1307-027LF PIN-dióda tömbjén alapuló PIN-diódás csillapító áramkör. A grafikon a csillapítást mutatja a frekvencia függvényében, vezérlőfeszültséggel mint paraméterrel. (Kép forrása: Skyworks Solutions)

A PIN dióda tömböt alacsony torzítású Pi és Tee konfigurációs csillapítókhoz tervezték. Az effektív ellenállás,_RS, 1 mA-nél legfeljebb 100 Ω, 10 mA-nél pedig 10 Ω, 1,5 mikroszekundum (µs) vivőéletidővel számolva. TV-jelelosztó alkalmazásokhoz készült.

Összegzés

Ezek a speciális célú diódák az elektronikus áramkörök tervezésének alappilléreivé váltak, mivel elegáns megoldást nyújtanak a korábban elavult technológiával megvalósított kulcsfontosságú funkciókhoz. A Zener-diódák alacsony feszültségreferenciákat tesznek lehetővé; a Schottky-diódák csökkentik a teljesítményveszteséget és gyors kapcsolást biztosítanak; a varaktor-diódák lehetővé teszik az elektronikus hangolást és helyettesítik a terjedelmes mechanikus változó kondenzátorokat; a PIN-diódák pedig gyors RF kapcsolással helyettesítik az elektromechanikus RF-kapcsolókat.