Fundamentele și aplicațiile diodei Zener, PIN, Schottky și Varactor

În timp ce diodele convenționale din siliciu sau germaniu funcționează bine ca redresoare și elemente de comutație în majoritatea aplicațiilor electronice, funcții precum reglajul electronic, atenuarea electronică, redresarea cu pierderi reduse și generarea de referință de tensiune sunt în mare parte dincolo de capacitatea lor. Inițial, pentru îndeplinirea acestor sarcini au fost utilizate metode mai primitive, costisitoare și mai ample de "forță brută". Aceste metode au făcut acum loc unor diode mai elegante, cu scopuri speciale, inclusiv diode varactor (sau cu capacitate variabilă), PIN, Schottky și Zener.

Fiecare dintre aceste tipuri de diode a fost proiectat prin îmbunătățirea unor caracteristici unice ale diodelor pentru a umple aplicații de nișă cu structuri de diode cu costuri reduse. Utilizarea acestor diode speciale reduce dimensiunea, costul și ineficiența soluțiilor mai convenționale în aceste aplicații. Printre utilizările tipice se numără sursele de alimentare cu comutație, atenuatoarele de microunde și de radiofrecvență, sursele de semnal de radiofrecvență și transmițătoarele.

Acest articol discută rolul și funcționarea diodelor cu destinație specială. Apoi, se analizează caracteristicile lor tipice, folosind exemple de la Skyworks Solutions și ON Semiconductor, înainte de a se încheia cu exemple de circuite care să arate cum să le utilizați în mod eficient.

Zener diodă de tensiune de referință

Diodele Zener sunt concepute pentru a menține o tensiune fixă pe diodă atunci când aceasta este polarizată invers. Această capacitate este utilizată pentru a furniza tensiuni de referință cunoscute, o operațiune importantă în sursele de alimentare. Diodele Zener sunt, de asemenea, utilizate pentru a tăia sau limita formele de undă, împiedicându-le să depășească limitele de tensiune.

Dioda Zener este fabricată folosind joncțiuni p-n foarte dopate, ceea ce duce la un strat de sărătură foarte subțire. Câmpul electric rezultat în această regiune este foarte mare chiar și în cazul unor tensiuni aplicate scăzute. În aceste condiții, oricare dintre cele două mecanisme duce la o defecțiune a diodei, ceea ce duce la un curent invers ridicat:

• Într-o condiție, defecțiunea Zener apare la tensiuni mai mici de 5 volți și este rezultatul tunelării cuantice a electronilor.
• Al doilea mecanism de rupere este atunci când tensiunile sunt mai mari de 5 volți; ruperea este rezultatul ruperii prin avalanșă sau al ionizării prin impact.

În ambele cazuri, funcționarea diodei este similară (figura 1).

Figura 1: Este prezentat simbolul schematic al unei diode Zener, împreună cu curba caracteristică curent-tensiune a acesteia. Caracteristica curent-tensiune a unei diode Zener are o zonă normală de conducție directă, dar atunci când este polarizată invers, aceasta se întrerupe cu o tensiune constantă la nivelul diodei. (Sursa imaginii: DigiKey)

Atunci când dioda Zener este polarizată în sens direct, aceasta se comportă ca o diodă standard. Sub polarizare inversă, acesta prezintă o defecțiune atunci când nivelul de polarizare inversă depășește nivelul tensiunii Zener, _VZ. În acest punct, dioda menține o tensiune aproape constantă între catod și anod. Curentul minim pentru a menține dioda în regiunea de defalcare Zener este _IZmin; curentul maxim determinat de puterea nominală de disipare a diodei este _IZmax. Curentul trebuie să fie limitat de o rezistență externă pentru a preveni supraîncălzirea și defectarea. Acest lucru este ilustrat în diagrama schematică a unui regulator de tensiune de bază pe bază de Zener construit în jurul dispozitivului ON Semiconductor 1N5229B Zener (figura 2).

Figura 2: Diagrama schematică a unui regulator de tensiune de bază care utilizează o diodă Zener, împreună cu răspunsul de reglare a sarcinii. (Sursa imaginii: DigiKey)

Dioda Zener 1N5229B are o disipare maximă de 500 de miliwați (mW) la o tensiune Zener nominală de 4,3 volți. Rezistorul de 75 ohm (Ω) în serie (R1) limitează puterea disipată la 455 mW fără sarcină. Puterea disipată scade odată cu creșterea curentului de sarcină. Curba de reglare a sarcinii este prezentată pentru valori ale rezistenței de sarcină cuprinse între 200 Ω și 2.000 Ω.

În plus față de reglarea tensiunii, diodele Zener pot fi cablate spate în spate pentru a asigura limitarea controlată a tensiunii la tensiunea Zener, plus valoarea căderii de tensiune directă. Un limitator Zener de 4,3 volți ar limita la ±5 volți. Aplicațiile de limitare pot fi extinse la circuite de protecție la supratensiune mai generale.

Dioda Schottky

Dioda Schottky, sau dioda cu purtător cald, se bazează pe o joncțiune metal-semiconductor (figura 3). Partea metalică a joncțiunii formează electrodul anodic, iar partea semiconductoare este catodul. Atunci când este polarizată în direcția directă, căderea maximă de tensiune directă a diodei Schottky este cuprinsă între 0,2 și 0,5 volți, în funcție de curentul direct și de tipul de diodă. Această cădere de tensiune directă scăzută este extrem de utilă atunci când dioda Schottky este utilizată în serie cu o sursă de alimentare, cum ar fi în circuitele de protecție împotriva tensiunii inverse, deoarece reduce pierderile de putere.

Figura 3: Structura fizică a diodei Schottky se bazează pe o joncțiune semiconductoare de tip metal la N, ceea ce permite obținerea unei căderi de tensiune de trecere reduse și a unor timpi de comutare foarte rapizi. (Sursa imaginii: DigiKey)

O altă caracteristică semnificativă a acestor diode este timpul de comutare foarte rapid. Spre deosebire de diodele standard, care au nevoie de timp pentru a elimina încărcătura din stratul de sărăcire atunci când trec de la starea de pornire la cea de oprire, dioda Schottky nu are un strat de sărăcire asociat cu joncțiunea metal-semiconductor.

Diodele Schottky au valori nominale de tensiune inversă de vârf limitate în comparație cu diodele cu joncțiune de siliciu. Acest lucru limitează în general utilizarea lor la sursele de alimentare de joasă tensiune în mod comutat. ON Semiconductor 1N5822RLG are o tensiune inversă de vârf (PRV) respectabilă de 40 de volți și un curent maxim de trecere de 3 A. Acesta poate fi aplicat în mai multe zone ale unei surse de alimentare în mod comutat (figura 4).

Figura 4: Exemple de aplicații tipice ale diodelor Schottky în sursele de alimentare în mod comutat includ utilizarea lor pentru protecția împotriva inversării puterii (D1) și suprimarea tranzienților (D2). (Sursa imaginii: DigiKey)

Diodele Schottky pot fi utilizate pentru a proteja circuitele regulatorului de aplicarea involuntară a polarității inversate la intrare. Dioda D1 servește acestui scop în exemplul de față. Principalul avantaj al diodei în această aplicație este căderea sa de tensiune directă scăzută. O funcție mai importantă pentru o diodă Schottky - în acest caz D2 - este aceea de a asigura o cale de întoarcere a curentului prin inductorul_L1, atunci când comutatorul se oprește. D2 trebuie să fie o diodă rapidă conectată cu o cablare scurtă, cu inductanță redusă, pentru a îndeplini această funcție. Diodele Schottky oferă cele mai bune performanțe în această aplicație pentru sursele de tensiune joasă.

Diodele Schottky găsesc, de asemenea, aplicații în proiectele RF, unde comutarea rapidă, căderile de tensiune de avans scăzute și capacitatea scăzută le fac utile pentru detectoare și comutatoare de eșantionare și reținere.

Diode Varactor

Dioda varactor, denumită uneori diodă varicap, este o diodă de joncțiune concepută pentru a asigura o capacitate variabilă. Joncțiunea P-N este polarizată invers, iar capacitatea diodei poate fi modificată prin schimbarea polarizării DC aplicate (figura 5).

Figura 5: Dioda varactor asigură o capacitate variabilă în funcție de polarizarea inversă aplicată. Cu cât nivelul de polarizare este mai mare, cu atât capacitatea este mai mică. (Sursa imaginii: DigiKey)

Capacitatea varactorului variază în mod invers cu polarizarea DC aplicată. Cu cât polarizarea inversă este mai mare, cu atât regiunea de epuizare a diodei este mai largă și, prin urmare, capacitatea este mai mică. Această variație poate fi observată grafic în graficul capacității în funcție de tensiunea inversă pentru dioda varactor cu joncțiune hiperabruptă SMV1801-079LF de la Skyworks Solutions (figura 6).

Figura 6: Capacitatea unui varator SMV1801-079LF de la Skyworks Solutions SMV1801-079LF în funcție de tensiunea de polarizare inversă. (Sursa imaginii: Skyworks Solutions)

Aceste diode oferă o tensiune de rupere ridicată, tensiuni de polarizare de până la 28 de volți și pot fi aplicate pe o gamă largă de reglaj. Tensiunea de comandă trebuie aplicată la varactor pentru a nu perturba polarizarea etajului următor; de obicei, acesta este cuplat capacitiv, așa cum se arată în figura 7.

Figura 7: Un oscilator acordat cu varactor cuplează în curent alternativ varactorul, D1, la oscilator prin condensatorul C1. Tensiunea de control este aplicată prin rezistența R1. (Sursa imaginii: DigiKey)

Varactorul este cuplat în curent alternativ la circuitul rezervorului oscilatorului prin intermediul unui condensator mare, C1. Acest lucru izolează varactorul D1 de tensiunile de polarizare ale tranzistorului și viceversa. Tensiunea de control este aplicată prin rezistența de izolare R1.

Varactorii pot înlocui condensatorii variabili în alte aplicații, cum ar fi în reglarea filtrelor de radiofrecvență sau de microunde, în modulatoarele de frecvență sau de fază, în schimbătoarele de fază sau în multiplicatoarele de frecvență.

diode PIN

Dioda PIN este utilizată fie ca întrerupător, fie ca atenuator la frecvențe de radiofrecvență și microunde. Se formează prin intercalarea unui strat semiconductor intrinsec de mare rezistivitate între straturile de tip P și N ale unei diode convenționale; de aici și denumirea PIN, care reflectă structura diodei (figura 8).

Dioda nebiată sau polarizată invers nu are nicio sarcină stocată în stratul intrinsec. Aceasta este condiția de oprire a aplicațiilor de comutare. Inserția stratului intrinsec crește lățimea efectivă a stratului de sărătură al diodei, ceea ce duce la o capacitate foarte mică și la tensiuni de rupere mai mari.

Figura 8: Structura unei diode PIN include un strat de material semiconductor intrinsec între materialele P și N ale electrozilor anodic și, respectiv, catodic. (Sursa imaginii: DigiKey)

Condiția de polarizare directă are ca rezultat injectarea de găuri și electroni în stratul intrinsec. Acești purtători au nevoie de ceva timp pentru a se recombina între ei. Acest timp se numește durata de viață a purtătorului, t. Există o încărcătură medie stocată care reduce rezistența efectivă a stratului intrinsec la o rezistență minimă,_RS. În starea de polarizare directă, dioda este utilizată ca atenuator RF.

Matricea de diode PIN SMP1307-027LF de la Skyworks Solutions combină patru diode PIN într-o capsulă comună pentru a fi utilizată ca atenuator RF/microunde în gama de frecvențe de la 5 megahertzi (MHz) la 2 gigahertzi (GHz) (figura 9).

Figura 9: Un circuit atenuator cu diode PIN bazat pe matricea de diode PIN SMP1307-027LF de la Skyworks Solutions. Graficul prezintă atenuarea în funcție de frecvență, cu tensiunea de control ca parametru. (Sursa imaginii: Skyworks Solutions)

Matricea de diode PIN este proiectată pentru atenuatoare cu distorsiune redusă Pi și configurație Tee. Rezistența efectivă,_RS, este de maximum 100 Ω la 1 mA și 10 Ω la 10 mA, pe baza unei durate de viață a purtătorului de 1,5 microsecunde (µs). Acesta este destinat aplicațiilor de distribuție a semnalelor TV.

Concluzie

Aceste diode cu scop special au devenit pilonii principalelor proiecte de circuite electronice, oferind o soluție elegantă pentru funcțiile cheie realizate anterior cu ajutorul unei tehnologii învechite. Diodele Zener permit referințe de joasă tensiune; diodele Schottky reduc pierderile de putere și asigură o comutare rapidă; diodele varactor permit reglarea electronică și înlocuiesc condensatorii variabili mecanici voluminoși; iar diodele PIN înlocuiesc comutatoarele RF electromecanice cu comutarea RF cu acțiune rapidă.