EUR | USD

Zener-, PIN-, Schottky- ja kapasitanssidiodien perusteet ja sovellukset

Kirjoittaja Art Pini

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Perinteiset pii- tai germaniumdiodit toimivat hyvin tasasuuntaajina tai kytkentäelementteinä useimmissa elektroniikan sovelluksissa, mutta ne eivät yleensä sovellu virittämisen, vaimennuksen, matalan häviön tasasuuntauksen tai jännitereferenssin generoinnin kaltaisiin toimintoihin. Alunperin näihin tehtäviin käytettiin karkeita menetelmiä, jotka olivat primitiivisempiä, kalliimpia ja kookkaampia. Ne ovat nykyisin korvautuneet elegantimmilla erityisten käyttötarkoitusten diodeilla, joita ovat muun muassa kapasitanssidiodit (varaktorit) sekä PIN-, Schottky- ja zenerdiodit.

Jokainen näistä diodityypeistä kehitettiin parantamalla jotakin diodien yksilöllistä ominaisuutta, jotta tietty sovellus saatiin toteutettua edullisella diodirakenteella. Perinteisiin ratkaisuihin verrattuna erityiskäyttöön tarkoitettujen diodien käyttö pienentää kokoa ja kustannuksia sekä parantaa hyötysuhdetta tällaisissa sovelluksissa. Tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat hakkurivirtalähteet, mikroaalto- ja RF-vaimentimet, RF-signaalilähteet sekä lähetin-vastaanottimet.

Tässä artikkelissa keskustellaan erityiskäyttöön tarkoitettujen diodien roolista ja toiminnasta. Sen jälkeen artikkelissa tutustutaan niiden tyypillisiin ominaisuuksiin käyttäen esimerkkeinä Skyworks Solutionsin ja ON Semiconductorin tuotteita, ja lopussa esitetään kytkentäesimerkkejä niiden tehokkaasta käytöstä.

Jännitereferenssi zenerdiodilla

Zenerdiodit on suunniteltu siten, että niiden ylitse vaikuttaa estosuunnassa tietty jännite. Tätä ominaisuutta käytetään muodostamaan haluttu jännitereferenssi, mikä on tärkeä toiminto teholähteissä. Zenerdiodeja käytetään myös leikkaamaan tai rajoittamaan aaltomuotoja, jotta ne eivät ylittäisi jänniterajoja.

Zenerdiodi valmistetaan käyttäen erittäin seostettuja pn-liitoksia, jolloin tyhjennysalueesta tulee erittäin ohut. Tästä syystä alueella syntyvä sähkökenttä on erittäin korkea jopa matalilla jännitteillä. Näissä olosuhteissa kaksi mekanismia voi aiheuttaa diodin läpilyönnin, jolloin käänteisvirta on suuri:

  • Ensimmäisessä tilanteessa zenerläpilyönti tapahtuu alle 5 voltin jännitteillä ja on seurausta elektronien tunneli-ilmiöstä.
  • Toinen läpilyöntimekanismi esiintyy yli 5 voltin jännitteellä, jolloin läpilyönti on seurausta vyörypurkauksesta tai iskuionisaatiosta.

Molemmissa tapauksissa diodi toimii samalla tavalla (kuva 1).

Kaavio: zenerdiodin piirikaaviosymboliKuva 1: Kuvassa näkyy zenerdiodin piirikaaviosymboli sekä sen purkausominaiskäyrä. Zenerdiodin purkausominaiskäyrä on päästösuunnassa normaali, mutta estosuunnassa se lyö läpi vakiojännitteellä. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Kun zenerdiodi on kytketty päästösuuntaan, se toimii normaalin diodin tavoin. Estosuunnassa tapahtuu läpilyönti, kun jännitetaso ylittää zenerjännitteen VZ. Tässä vaiheessa diodi pitää jännitteen katodin ja anodin välillä lähes vakiona. Minimivirta, jolla diodi pysyy zenerläpilyönnin alueella, on IZmin; diodin nimellistehohäviön perusteella määritetty enimmäisvirta on IZmax. Ylikuumenemisen ja vikaantumisen estämiseksi virtaa tulee rajoittaa ulkoisella vastuksella. Tämä näkyy piirikaaviossa, jossa esitetään ON Semiconductor 1N5229B -zenerdiodin ympärille rakennettu yksinkertainen jänniteregulaattori (kuva 2).

Kuva zenerdiodia käyttävän yksinkertaisen jänniteregulaattorin piirikaaviosta (suurenna klikkaamalla)Kuva 2: Zenerdiodia käyttävän yksinkertaisen jänniteregulaattorin piirikaavio, jossa näkyy kuorman regulointivaste. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Zenerdiodin 1N5229B suurin sallittu häviö on 500 milliwattia (mW), kun zenerjännite on nimellisarvossa 4,3 volttia. Sarjaan asennettu 75 ohmin (Ω) vastus (R1) rajoittaa tehohäviön 455 mW:iin ilman kuormaa. Tehohäviö laskee, kun kuormitusvirta nousee. Kuormituksen regulointikäyrä näytetään kuormitusvastuksen arvoille 200 Ω – 2 000 Ω.

Jännitteen reguloinnin lisäksi zenerdiodeja voidaan asentaa peräkkäin vastakkaissuuntaisesti, jolloin ne rajoittavat jännitteen zenerjännitteen arvoon, plus myötäsuunnan jännitehäviö. 4,3 voltin Zener-rajoitin rajoittaa jännitteen ±5 volttiin. Diodia voidaan käyttää rajoittimena myös yleiskäyttöisemmissä ylijännitesuojauspiireissä.

Schottky-diodi

Schottky-diodi perustuu metallin ja puolijohteen liitokseen (kuva 3). Liitoksen metallipuoli muodostaa anodin, kun taas puolijohdepuoli toimii katodina. Myötäsuuntaan kytkettynä Schottky-diodin suurin jännitehäviö on 0,2–0,5 volttia myötävirrasta ja diodin tyypistä riippuen. Tämä myötäsuunnan matala jännitehäviö on erittäin hyödyllinen, kun Schottky-diodia käytetään sarjaan kytkettynä teholähteen kanssa, esimerkiksi jännitepolariteettisuojauspiireissä, sillä se vähentää tehohäviöitä.

Kaavio Schottky-diodin fyysisestä rakenteestaKuva 3: Schottky-diodin fyysinen rakenne perustuu metallin ja N-tyyppisen puolijohteen liitokseen, joka tuottaa alhaisen myötäsuunnan jännitehäviön sekä nopeat kytkentäajat. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Toinen näiden diodien merkittävä ominaisuus on erittäin nopea kytkentäaika. Toisin kuin normaaleissa diodeissa, joiden tyhjennysalueen varauksen poistuminen kestää jonkin aikaa siirryttäessä ei-johtavaan tilaan, Schottky-diodin metalli-puolijohdeliitoksessa ei ole tyhjennysaluetta.

Piiliitosdiodeihin verrattuna Schottky-diodien estojänniteluokitusten maksimiarvot ovat pienempiä. Tämän vuoksi niiden käyttö rajoittuu yleensä matalan jännitteen hakkurivirtalähteisiin. ON Semiconductor 1N5822RLG:n estojännitteen maksimiarvo (PRV) on varsin kohtuullinen 40 volttia ja suurin myötävirta 3 A. Sitä voidaan käyttää hakkurivirtalähteessä monissa eri tehtävissä (kuva 4).

Kaavio Schottky-diodien tyypillisistä käyttökohteistaKuva 4: Esimerkkejä Schottky-diodien tyypillisistä käyttökohteista hakkurivirtalähteissä ovat jännitepolariteettisuojaus (D1) ja transienttisuojaus (D2). (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Schottky-diodeja voidaan käyttää suojaamaan regulaattoripiirejä vahingossa väärin kytketyltä tulon napaisuudelta. Esimerkissä tätä tehtävää hoitaa diodi D1. Tämän diodin tärkein etu tässä käyttötarkoituksessa on matala jännitehäviö myötäsuunnassa. Schottky-diodin – tässä tapauksessa D2:n – tärkeämpi toiminto on tarjota virralle paluureitti induktiokelan L1 läpi, kun kytkin sammutetaan. Jotta tämä voisi toimia, D2:n tulee olla nopea diodi, joka on yhdistetty lyhyellä ja induktanssiltaan matalalla johdotuksella. Schottky-diodit ovat suorituskyvyltään paras vaihtoehto tähän sovellukseen pienjänniteteholähteissä.

Schottky-diodeja voidaan käyttää myös RF-ratkaisuissa, sillä nopean kytkennän, alhaisen myötäsuunnan jännitehäviön ja alhaisen kapasitanssin ansiosta niitä voidaan käyttää ilmaisimissa ja näytteenottopiireissä.

Kapasitanssidiodit

Joskus myös varaktoriksi tai varicap-diodiksi kutsuttu kapasitanssidiodi on liitosdiodi, joka on suunniteltu kapasitanssiltaan säädettäväksi. Pn-liitos on estosuunnassa, ja diodin kapasitanssia voidaan säätää muuttamalla DC-esijännitettä (kuva 5).

Kaavio kapasitanssiltaan säädettävästä kapasitanssidiodistaKuva 5: Kapasitanssidiodin kapasitanssia voidaan säätää estosuunnan esijännitteellä. Mitä korkeampi esijännitetaso on, sitä alempi on kapasitanssi. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Kapasitanssidiodin kapasitanssi on kääntäen verrannollinen DC-esijännitteeseen. Mitä korkeampi estosuunnan esijännite on, sitä leveämmäksi diodin tyhjennysalue muodostuu ja sitä alhaisempi kapasitanssi on. Tämä muutos näkyy graafisesti erittäin jyrkkää liitosta käyttävän Skyworks Solutions SMV1801-079LF -varaktorin kapasitanssin ja estojännitteen kuvaajassa (kuva 6).

Skyworks Solutions SMV1801-079LF -varaktorin kapasitanssin kuvaajaKuva 6: Skyworks Solutions SMV1801-079LF -varaktorin kapasitanssi estosuunnan jännitteen funktiona. (Kuvan lähde: Skyworks Solutions)

Nämä diodit tarjoavat korkean läpilyöntijännitteen sekä jopa 28 voltin esijännitteen, ja niitä voidaan käyttää laajalla viritysalueella. Kapasitanssidiodin ohjausjännite tulee kytkeä siten, ettei se häiritse seuraavan vaiheen esijännitettä; se kytketään yleensä kapasitiivisesti kuvan 7 mukaisesti.

Kaavio, jossa kapasitanssidiodilla säädetty oskillaattori AC-kytkee kapasitanssidiodinKuva 7: Kapasitanssidiodilla säädetty oskillaattori AC-kytkee kapasitanssidiodin D1 oskillaattorille kondensaattorin C1 kautta. Ohjausjännite kytketään vastuksen R1 kautta. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Kapasitanssidiodi AC-kytketään oskillaattorin tankkipiiriin suuren kondensaattorin C1 kautta. Tämä erottaa kapasitanssidiodin D1 transistorin esijännitteestä ja päinvastoin. Ohjausjännite kytketään erotusvastuksen R1 kautta.

Kapasitanssidiodit voivat korvata säädettävät kondensaattorit muissakin sovelluksissa, kuten RF- ja mikroaaltosuodatinten virittämisessä, taajuus- ja vaihemodulaattoreissa, vaiheensiirtimissä ja taajuuskertojissa.

PIN-diodit

PIN-diodia käytetään joko kytkimenä tai vaimentimena RF- ja mikroaaltotaajuuksilla. Se valmistetaan asettamalla vastukseltaan korkea I-tyyppinen puolijohdekerros perinteisen diodin P- ja N-tyypin kerrosten väliin, eli nimi PIN kuvaa diodin rakennetta (kuva 8).

Jännitteettömän tai estosuuntaan kytketyn diodin I-tyyppisessä puolijohdekerroksessa ei ole varausta. Tämä on kytkentäsovelluksissa ei-kytketty tila. I-tyyppisen puolijohdekerroksen lisääminen kasvattaa diodin tyhjennysalueen tehollista leveyttä, mistä seuraa erittäin alhainen kapasitanssi ja korkeammat läpilyöntijännitteet.

Kaavio PIN-diodin rakenteestaKuva 8: PIN-diodin rakenteeseen sisältyy I-tyyppinen puolijohdekerros anodin ja katodin P- ja N-materiaalien välissä. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Myötäsuuntainen esijännite johtaa aukkojen ja elektronien virtaamiseen I-tyyppiseen puolijohdekerrokseen. Näiden varauksenkuljettajien yhdistyminen kestää jonkin aikaa. Tähän aikaan viitataan varauksenkuljettajan kestoikänä (t). Keskimääräinen tallennettu varaus laskee I-tyyppisen puolijohdekerroksen tehollisen vastuksen minimiarvoonsa RS. Myötäsuuntaan esijännitteisenä diodia käytetään RF-vaimentimena.

Skyworks Solutionsin PIN-diodiryhmä SMP1307-027LF yhdistää neljä PIN-diodia yhteiseen pakkaukseen, jota voidaan käyttää RF-/mikroaaltovaimentimena taajuusalueella 5 megahertsistä (MHz) 2 gigahertsiin (GHz) (kuva 9).

Kaaviokuva Skyworks Solutions SMP1307-027LF -PIN-diodiryhmästäKuva 9: PIN-diodivaimenninpiiri, joka perustuu Skyworks Solutions SMP1307-027LF -PIN-diodiryhmään. Kaaviossa näkyy vaimennus ja taajuus, kun parametrina on ohjausjännite. (Kuvan lähde: Skyworks Solutions)

PIN-diodiryhmä on suunniteltu alhaisen särön Pi- ja T-konfiguraatioiden vaimentimeksi. Tehollinen vastus RS on enintään 100 Ω, kun virta on 1 mA, ja 10 Ω, kun virta on 10 mA, perustuen varauksenkuljettajan 1,5 mikrosekunnin (µs) kestoikään. Se on tarkoitettu TV-signaalin jakelusovelluksiin.

Yhteenveto

Nämä erikoiskäyttöön tarkoitetut diodit ovat vakiinnuttaneet asemansa elektroniikkapiirien suunnittelussa tarjoamalla kätevän ratkaisun toimintoihin, jotka aiemmin saatiin aikaan vain sittemmin vanhentuneella teknologialla. Zenerdiodit mahdollistavat alhaiset jännitereferenssit, Schottky-diodit vähentävät tehohäviöitä ja kytkevät nopeasti, kapasitanssidiodit mahdollistavat elektroniikkapiirien virityksen sekä korvaavat kookkaat mekaaniset säätökondensaattorit ja PIN-diodit korvaavat sähkömekaaniset RF-kytkimet nopeatoimisilla RF-kytkimillä.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

Art Pini

Arthur (Art) Pini toimii avustavana kirjoittajana Digi-Key Electronicsille. Hän on suorittanut sähköinsinöörin tutkinnon New Yorkin City Collegessa sekä sähkötekniikan yliopistotutkinnon New Yorkin City Universityssä. Hänellä on yli 50 vuoden kokemus elektroniikka-alalta ja hän on työskennellyt tärkeissä suunnittelu- ja markkinointirooleissa Teledyne LeCroy-, Summation-, Wavetek- ja Nicolet Scientific -yrityksissä. Hän on kiinnostunut mittausteknologiasta ja hänellä on laaja kokemus oskilloskooppien, spektrianalysaattorien, satunnaisaaltomuotogeneraattorien, digitoijien ja tehomittareiden kanssa.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa