De grondbeginselen en toepassingen van zener-, PIN-, schottky- en varactordiodes

Hoewel conventionele silicium- of germaniumdiodes prima werken als gelijkrichters en schakelelementen in tal van elektronicatoepassingen, zijn functies zoals elektronische afstemming, elektronische demping, gelijkrichting met laag verlies en het genereren van spanningsreferenties meestal niet mogelijk. Oorspronkelijk werden meer primitieve, kostbare en inefficiënte bulkmethoden voor deze taken gebruikt. Deze methoden hebben nu plaats gemaakt voor elegantere doelgebonden diodes, waaronder varactors (of diodes met variabele capaciteit) en PIN-, schottky- en zenerdiodes.

Deze diodes zijn stuk voor stuk ontworpen rond een unieke eigenschap die wordt benut om speciale toepassingen van goedkope diodestructuren te voorzien. Gebruik van doelgebonden diodes verlaagt de grootte, prijs en inefficiëntie van conventionele oplossingen voor deze toepassingen. Veelgebruikte toepassingen zijn schakelende voedingen (SMPS), microgolf- en RF-signaalverzwakkers, RF-signaalbronnen en transceivers.

In dit artikel wordt de rol en werking van doelgebonden diodes behandeld. Vervolgens worden aan de hand van voorbeelden van Skyworks Solutions en ON Semiconductor, de kenmerkende eigenschappen van deze diodes besproken en een aantal voorbeeldschakelingen gegeven om te laten zien hoe ze effectief kunnen worden gebruikt.

Zenerdiodes als spanningsreferentie

Zenerdiodes zijn ontworpen om in sperrichting een vaste diodespanning te handhaven. Deze eigenschap is vooral belangrijk voor voedingen om een bekende referentiespanning te leveren. Zenerdiodes worden ook gebruikt om golfvormen te begrenzen om te voorkomen dat een bepaalde spanningsgrens niet wordt overschreden.

De zenerdiode wordt geconstrueerd met zwaar gedoteerde p-n-overgangen en heeft daarom een zeer dunne depletielaag. Het resulterende elektrische veld in deze regio is zeer hoog, zelfs bij lage aangelegde spanningen. Onder deze omstandigheden zijn er twee situaties waarin de diode kan doorslaan en die tot een hoge sperstroom leiden:

• In het eerste geval vindt de zenerdoorslag plaats bij spanningen lager dan 5 volt als het gevolg van kwantumtunneling van elektronen.
• De tweede situatie vindt plaats wanneer de spanning hoger is dan 5 V, waarbij de doorslag het resultaat is van lawinedoorslag of impactionisatie.

In beide gevallen is de werking van de diode nagenoeg hetzelfde (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het schematisch symbool voor een zenerdiode samen met de karakteristieke stroom-spanningsgrafiek. De stroom-spanningsgrafiek van een zenerdiode heeft een normale geleidingszone in doorlaatrichting, maar in sperrichting slaat de diode bij een constante spanning over de diode. (Afbeeldingsbron: DigiKey)

In doorlaatrichting gedraagt een zenerdiode zich als een normale diode. In sperrichting slaat de diode door bij een sperspanning die hoger is dan de zenerspanning V_Z. Op dit punt handhaaft de diode een nagenoeg constante spanning tussen de kathode en de anode. De minimale stroom om de diode in het zenerdoorslaggebied te houden is I_Zmin, terwijl de maximale stroom I_Zmax wordt bepaald door de nominale vermogensdissipatie van de diode. De stroom moet worden beperkt door een externe weerstand om oververhitting en storing te voorkomen. Dit is te zien in het schema van een basisspanningsregelaar gebouwd rond de 1N5229B zenerdiode van ON Semiconductor (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het schema van een basisspanningsregelaar met een zenerdiode, evenals een grafiek van de belastingrespons. (Afbeeldingsbron: DigiKey)

De 1N5229B zenerdiode heeft een maximale dissipatie van 500 milliwatt (mW) bij een nominale zenerspanning van 4,3 volt. De serieweerstand R1 van 75 ohm (Ω) beperkt de vermogensdissipatie tot 455 mW onbelast. De vermogensdissipatie neemt af met een toenemende belastingsstroom. De grafiek voor de uitgangsspanning wordt weergegeven voor belastingsweerstanden van 200 Ω tot 2000 Ω.

Behalve als spanningsregelaar kunnen zenerdiodes ook worden gebruikt als spanningsbegrenzer door ze back-to-back aan te sluiten. In dit geval wordt de spanning begrensd op de zenerspanning plus de spanningsval in doorlaatrichting. Een zenerbegrenzer van 4,3 volt begrenst dus bij ±5 volt. Spanningsbegrenzers kunnen onder andere worden toegepast in overspanningsbeveiligingscircuits.

De Schottky-diode

De schottkydiode, oftewel hete-ladingdragerdiode, is gebaseerd op een overgang tussen een metaal en een halfgeleider (Afbeelding 3). De metalen zijde van de overgang vormt de anode en de halfgeleiderzijde is de kathode. In doorlaatrichting ligt de maximale spanningsval van de schottkydiode tussen 0,2 en 0,5 volt, afhankelijk van de doorlaatstroom en het soort diode. Deze lage doorlaatspanningsval is zeer nuttig wanneer de schottkydiode in serie wordt geschakeld met een voeding, zoals in schakelingen voor spervermogensbeveiliging, omdat er minder vermogensverlies is.

Afbeelding 3: De fysieke structuur van de schottkydiode is gebaseerd op een overgang tussen een metaal en een n-type halfgeleider, resulterend in een lage spanningsval in doorlaatrichting en zeer korte schakeltijden. (Afbeeldingsbron: DigiKey)

Een andere belangrijke eigenschap van deze diodes is de zeer korte schakeltijd. In tegenstelling tot standaard diodes die tijd nodig hebben om lading van de depletielaag te verwijderen wanneer ze overschakelen van de aan- naar de uit-stand, heeft de metaal-halfgeleiderovergang van de schottkydiode geen depletielaag.

Schottkydiodes hebben een beperkte pieksperspanning vergeleken met siliciumjunctiediodes. Hierdoor wordt het gebruik over het algemeen beperkt tot schakelende laagspanningsvoedingen. De ON Semiconductor 1N5822RLG heeft een respectabele piek-sperspanning (PRV) van 40 volt en een maximale voorwaartse stroom van 3 A. Het kan worden toegepast in verschillende gebieden van een geschakelde voeding (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Voorbeelden van standaard toepassingen van schottkydiodes in een schakelende voeding (SMPS) zoals voor spervermogensbeveiliging (D1) en onderdrukken van transiënten (D2). (Afbeeldingsbron: DigiKey)

Schottkydiodes kunnen worden gebruikt om regelaarcircuits te beschermen tegen onbedoelde omgekeerde ingangspolariteit. In het voorbeeld dient diode D1 dit doel. Het belangrijkste voordeel van de diode in deze toepassing is de lage spanningsval in doorlaatrichting. Een belangrijkere functie voor schottkydiodes is, in dit geval D2, het bieden van een retourpad voor stroom door inductor L₁ wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld. D2 moet een snelle diode zijn aangesloten via een korte bedrading met lage inductantie om deze functie te kunnen vervullen. Schottkydiodes zijn het meest geschikt voor deze toepassing in laagspanningsvoedingen.

Schottkydiodes worden ook gebruikt in RF-ontwerpen omdat hun korte schakeltijd, lage doorlaatspanningsval en lage capaciteit nuttig zijn voor detectoren en sample-and-hold-schakelaars.

Varactor diodes

De varactordiode, ook wel variabele-capaciteitsdiode of varicapdiode genoemd, is een lagendiode die ontworpen is om variabele capaciteit te leveren. De p-n-overgang is in sperrichting geschakeld en de capaciteit van de diode kan worden gewijzigd door de aangelegde DC-voorspanning te wijzigen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De varactordiode levert een variabele capaciteit afhankelijk van de spervoorspanning.  Hoe hoger de voorspanning, hoe lager de capaciteit. (Afbeeldingsbron: DigiKey)

De capaciteit van de varactor varieert omgekeerd met de aangelegde DC-voorspanning. Hoe hoger de spervoorspanning, hoe breder de diodedepletieregio en dus hoe lager de capaciteit. Deze variatie kan grafisch worden voorgesteld door de capaciteit af te beelden als functie van de sperspanning voor de SMV1801-079LF hyperabrupt overgangsvaractordiode van Skyworks Solutions (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De capaciteit van een SMV1801-079LF varactor van Skyworks Solutions als functie van de spervoorspanning. (Bron afbeelding: Skyworks Solutions)

Deze diodes hebben een hoge doorslagspanning en voorspanningen tot wel 28 volt en kunnen over een breed afstemmingsbereik worden toegepast. De regelspanning moet op de varactor worden aangelegd om biasing van de volgende stap niet te verstoren. De diode wordt gewoonlijk capacitief gekoppeld zoals weergegeven in afbeelding 7.

Afbeelding 7: Varactor D1 wordt AC-gekoppeld aan de varactor-afgestemde oscillator via condensator C1.  De regelspanning wordt via weerstand R1 aangelegd. (Afbeeldingsbron: DigiKey)

De varactor is AC-gekoppeld aan het oscillator-tankcircuit via een grote condensator C1. Hierdoor wordt varactor D1 van de transistorvoorspanning geïsoleerd, en omgekeerd. De regelspanning wordt via de isolerende weerstand R1 aangelegd.

Varactors kunnen variabele condensatoren in andere toepassingen vervangen, zoals voor het afstemmen van RF- of microgolffilters, in frequentie- of fasemodulatoren, in faseverschuivers of in frequentievermenigvuldigers.

PIN-dioden

De PIN-diode wordt ofwel als schakelaar of als signaalverzwakker gebruikt op RF- en microgolffrequenties. De diode bestaat uit een intrinsieke halfgeleiderlaag met hoge weerstand tussen de p- en n-typelagen van een conventionele diode, vandaar de naam PIN, die de structuur van de diode weergeeft (Afbeelding 8).

De biasloze of spervoorspanningsdiode heeft geen lading in de intrinsieke laag. Dit is de uit-stand van schakeltoepassingen. Het aanbrengen van de intrinsieke laag verhoogt de effectieve breedte van de depletielaag van de diode, wat resulteert in een zeer lage capaciteit en hogere doorslagspanningen.

Afbeelding 8: De structuur van een PIN-diode omvat een laag intrinsiek halfgeleidermateriaal tussen het p- en n-materiaal van respectievelijk de anode en de kathode. (Afbeeldingsbron: DigiKey)

De doorlaatspanning resulteert in gaten en elektronen die in de intrinsieke laag worden ingespoten. Deze ladingdragers voegen zich na verloop van tijd weer samen. Deze tijd wordt de levensduur van de drager genoemd, t. De gemiddelde opgeslagen lading verlaagt de effectieve weerstand van de intrinsieke laag tot een minimale weerstand R_S. In doorlaatrichting wordt de diode gebruikt als RF-signaalverzwakker.

De SMP1307-027LF PIN-diodematrix van Skyworks Solutions bevat een combinatie van vier PIN-diodes in een standaard behuizing voor gebruik als een RF-/microwavesignaalverzwakker over een frequentiebereik tussen 5 megahertz (MHz) en 2 gigahertz (GHz) (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Een signaalverzwakkercircuit met PIN-diodes op basis van de SMP1307-027LF PIN-diodematrix van Skyworks Solutions. De grafiek geeft de demping weer als functie van de frequentie met regelspanning als parameter. (Bron afbeelding: Skyworks Solutions)

De PIN-diodematrix is ontworpen voor signaalverzwakkers met lage vervorming Pi- en Tee-configuratie. De effectieve weerstand R_S is maximaal 100 Ω bij 1 mA en 10 Ω bij 10 mA, op basis van een levensduur van de drager van 1,5 microseconde (µs). Deze diodematrix wordt gebruikt voor TV-signaaldistributie.

Conclusie

Doelgebonden diodes nemen een centrale plaats in bij het ontwerpen van elektronische circuits als elegante oplossing voor belangrijke functies die voorheen werden gerealiseerd met inmiddels achterhaalde technologie. Zenerdiodes genereren laagspanningsreferenties, schottkydiodes verminderen vermogensverliezen en kunnen snel schakelen, varactordiodes zijn geschikt voor elektronisch afstemmen en vervangen grote mechanische variabele condensatoren en PIN-diodes vervangen elektromechanische RF-schakelaars met snel RF schakelen.