齐纳@@、PIN、肖特基和@@变容二极管@@@@的@@基础知识及其应用@@

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作者@@:Art Pini,Digi-Key 北美编辑@@,文章来源@@:Digi-Key网@@站@@

虽然传统的@@硅二极管@@或锗二极管@@在@@@@大多数电子应用中可以很好地作为整流器和@@开关@@金宝博@@手机登录@@ 使用@@,但它们不具备@@电子微调@@、电子衰减@@、低损耗整流@@、基准电压生成等功能@@。最初@@,我们使用@@更原始@@、成本更高且体积更大的@@@@“蛮力@@”方法来完成这些任务@@。这些方法现在@@已经让位于更精巧的@@特殊用途二极管@@@@,包括变容二极管@@@@@@、PIN 二极管@@、肖特基二极管@@@@和@@齐纳@@二极管@@@@。

所有这些类型的@@二极管@@设计@@原理都是增强二极管@@的@@某些独特特性@@,以低成本的@@二极管@@结构填充小众应用的@@空白@@。在@@这些应用中@@,使用@@特殊用途二极管@@可以减小尺寸@@,降低成本@@,解决传统解决方案效率低下的@@问题@@。典型用途包括开关@@模式电源@@、微波和@@@@ RF 衰减器@@、RF 信号源和@@收发器@@。

本文将讨论特殊用途二极管@@的@@角色和@@工作原理@@。然后@@,本文还将以@@ Skyworks Solutions 和@@ ON Semiconductor 的@@产品为例@@,探讨这些二极管@@的@@典型特性@@,最后还将提供一些电路示例@@,以展示如何有效地使用@@它们@@。

齐纳@@二极管@@电压基准@@

齐纳@@二极管@@在@@@@受到反向偏压时能够维持固定的@@电压@@。这种功能可用于提供已知基准电压@@,是电源中的@@一项重要操作@@。齐纳@@二极管@@还可用于波形的@@削波或限幅@@,防止它们超过电压极限@@。

齐纳@@二极管@@使用@@重掺杂@@ P-N 结制造而成@@,因而耗尽层很薄@@。此区域会产生很高的@@电场@@,即便在@@施加@@较低电压的@@情况下亦是如此@@。在@@这些条件下@@,以下两种机制会导致二极管@@被击穿@@,从而产生高反向电流@@:

  • 一种条件下@@,在@@小于@@ 5 伏特@@的@@电压下发生齐纳@@击穿@@,这是电子量子遂穿导致的@@结果@@
  • 第二种击穿机制是在@@电压高于@@ 5 伏特@@时@@,由于雪崩击穿或碰撞电离导致击穿@@

两种情况下@@,二极管@@的@@工作是相似的@@@@(图@@ 1)。

图@@ 1:显示齐纳@@二极管@@的@@原理图@@符号@@,及其电流@@-电压特性曲线@@

图@@ 1:显示齐纳@@二极管@@的@@原理图@@符号@@,及其电流@@-电压特性曲线@@。虽然齐纳@@二极管@@的@@电流@@-电压特性具有正常的@@正向导通区@@,但在@@发生反向偏压时@@,它会发生击穿@@并在@@二极管@@两端维持恒压@@。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

当齐纳@@二极管@@受到正向偏压时@@@@,可作为标准二极管@@使用@@@@。当受到反向偏压时@@,如果反向偏压电平超过齐纳@@电压电平@@ VZ,它会发生击穿@@。此时@@,二极管@@在@@@@阴极和@@阳极之间维持近乎恒定的@@电压@@。让二极管@@保持在@@齐纳@@击穿区域的@@最小电流为@@ IZmin;由二极管@@额定功率耗散决定的@@最大电流为@@ IZmax。电流必须通过外部电阻进行限制@@,以防止出现过热和@@故障@@。这一点显示在@@图@@@@ 2 基于@@齐纳@@效应的@@基本稳压器原理图@@中@@,其中采用@@ ON Semiconductor 的@@ 1N5229B 齐纳@@二极管@@构建@@。

使用@@齐纳@@二极管@@的@@基本稳压器原理图@@@@,以及负载调节响应@@

图@@ 2:使用@@齐纳@@二极管@@的@@基本稳压器原理图@@@@,以及负载调节响应@@。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

1N5229B 齐纳@@二极管@@的@@最大功耗为@@ 500 毫瓦@@ (mW),标称齐纳@@电压为@@ 4.3 伏特@@。在@@无负载的@@情况下@@,75 欧姆@@ (Ω) 的@@串联电阻器@@ (R1) 将功率耗散限制在@@@@ 455 mW。随着负载电流的@@增加@@,功率耗散会下降@@。图@@中显示了负载电阻值@@为@@ 200 欧姆@@至@@@@ 2,000 欧姆@@时的@@负载调节曲线@@。

除了电压调节之外@@,齐纳@@二极管@@还可以背对背连线@@,以提供限制为齐纳@@电压的@@受控电压@@,以及正向压降值@@@@。4.3 伏特@@齐纳@@限幅器将限制为@@ ±5 伏特@@。限幅应用可以扩展到更广泛的@@过压保护电路@@。

肖特基二极管@@@@

肖特基二极管@@@@即热载流子二极管@@@@,是基于@@金属@@-半导体结制造而成@@@@(图@@ 3)。结的@@金属侧形成了阳极@@,半导体侧成为阴极@@。正向偏压时@@,肖特基二极管@@@@的@@最大正向压降在@@@@ 0.2 至@@ 0.5 伏特@@范围内@@,具体取决于正向电流和@@二极管@@类型@@。当肖特基二极管@@@@与电源串联使用@@时@@,例如在@@反向电压保护电路中@@,这样的@@低正向压降@@是非常有用的@@@@,因为它能够降低功率损耗@@。

肖特基二极管@@@@的@@物理结构基于@@金属@@- N 型半导体结@@

图@@ 3:肖特基二极管@@@@的@@物理结构基于@@金属@@- N 型半导体结@@,因而具有很低的@@正向压降和@@极快的@@开关@@速度@@。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

这些二极管@@的@@另外一个重要特性是非常快的@@开关@@速度@@。从打开状态切换为关闭状态时@@,标准二极管@@需要花费一定时间来消除耗尽层的@@电荷@@,与之不同的@@是@@,肖特基二极管@@@@的@@金属@@-半导体结没有相关的@@耗尽层@@。

与硅结二极管@@相比@@,肖特基二极管@@@@的@@峰值@@反向电压@@额定值@@受到限制@@。因此它们通常限定用于低压开关@@模式电源@@。ON Semiconductor 的@@ 1N5822RLG 峰值@@反向电压@@ (PRV) 额定值@@高达@@@@ 40 伏特@@,最大正向电流为@@ 3 A。它能够在@@开关@@模式电源的@@多个方面得到应用@@(图@@ 4)。

肖特基二极管@@@@在@@开关@@模式电源中的@@典型应用示例@@

图@@ 4:肖特基二极管@@@@在@@开关@@模式电源中的@@典型应用示例@@,包括用于逆功率保护@@ (D1) 和@@瞬态抑制@@ (D2)。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

肖特基二极管@@@@可用于保护稳压器电路@@,防止在@@输入端意外施加@@反极性@@。本例中的@@@@二极管@@@@ D1 正是用于此用途@@。该@@二极管@@在@@@@此应用中的@@主要优势是正向压降较低@@。肖特基二极管@@@@(本例中的@@@@ D2)另一个更重要的@@功能是@@,在@@开关@@关闭时提供返回路径@@,让电流流过电感器@@@@ L1。D2 必须是使用@@较短的@@低电感连线连接的@@快速二极管@@@@,才能实现这项功能@@。在@@低电压电源的@@这项应用中@@,肖特基二极管@@@@具有极佳的@@性能@@。

肖特基二极管@@@@还可应用于@@ RF 设计@@,它们的@@快速开关@@@@、低正向压降@@、低电容特性使其非常适用于检测器和@@采样保持开关@@@@。

变容二极管@@@@

变容二极管@@@@有时也称为变容器二极管@@@@,是适合提供可变电容的@@结型二极管@@@@。P-N 结受到反向偏压@@,并可通过更改施加@@的@@@@ DC 偏压来改变二极管@@电容@@(图@@ 5)。

变容二极管@@@@根据施加@@的@@反向偏压提供可变电容@@

图@@ 5:变容二极管@@@@根据施加@@的@@反向偏压提供可变电容@@。偏压电平越高@@,电容越低@@。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

变容二极管@@@@的@@电容与施加@@的@@直流偏压成反比@@。反向偏压越高@@,二极管@@的@@耗尽区越广@@,因而电容也越低@@。在@@ Skyworks Solutions 的@@ SMV1801-079LF 超突变结变容二极管@@@@的@@电容与反向偏压曲线图@@中@@,我们可通过图@@形方式看到这种变化@@(图@@ 6)。

变容二极管@@@@的@@电容与反向偏压的@@函数关系@@

图@@ 6:Skyworks Solutions 的@@ SMV1801-079LF 变容二极管@@@@的@@电容与反向偏压的@@函数关系@@。(图@@片来源@@:Skyworks Solutions)

这些二极管@@具有很高的@@击穿电压@@,高达@@ 28 伏特@@的@@偏压@@,能够在@@广泛的@@调谐范围内应用@@。控制电压必须施加@@于变容二极管@@@@@@,以免翻转下一级的@@偏置@@;它通常采用容性耦合@@,如图@@@@ 7 所示@@。

变容二极管@@@@调谐式振荡器通过电容器@@ C1

图@@ 7:变容二极管@@@@调谐式振荡器通过电容器@@ C1,将变容二极管@@@@@@ D1 交流耦合到振荡器@@。控制电压通过电阻器@@ R1 施加@@。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

变容二极管@@@@通过大型电容器@@ C1 交流耦合到振荡器@@振荡电路@@。这样可将变容二极管@@@@@@@@ D1 与晶体管偏压隔离@@,反之亦然@@。控制电压通过隔离电阻器@@ R1 施加@@。

变容二极管@@@@可在@@其他一些应用中取代可变电容器@@,例如在@@调谐@@ RF 或微波滤波器@@、频率或相位调制器@@、移相器和@@倍频器中@@。

PIN 二极管@@

PIN 二极管@@在@@@@ RF 和@@微波频率下用作@@开关@@或衰减器@@@@。它是通过在@@传统二极管@@的@@@@ P 型层和@@@@ N 型层之间层叠高电阻率本征半导体层而形成@@,因此名称@@ PIN 反映了该@@二极管@@的@@结构@@(图@@ 8)。

非偏压或反向偏压二极管@@没有电荷存储在@@本征层@@。这是开关@@应用的@@关断条件@@。插入本征层可以增加二极管@@耗尽层的@@有效宽度@@,从而产生很低的@@电容@@,并提高击穿电压@@。

PIN 二极管@@的@@结构在@@阳极和@@阴极的@@@@ P 型材料和@@@@ N 型材料之间包括了一层本征半导体材料@@

图@@ 8:PIN 二极管@@的@@结构在@@阳极和@@阴极的@@@@ P 型材料和@@@@ N 型材料之间包括了一层本征半导体材料@@。(图@@片来源@@:Digi-Key Electronics)

正向偏压条件导致空穴和@@电子被注入到本征层@@。这些载流子要花费一些时间相互重新组合@@。这个时间称为载流子寿命@@@@ t。平均存储的@@电荷将本征层的@@有效电阻@@降低到最小电阻@@ RS。在@@正向偏压条件下@@,二极管@@用作@@@@ RF 衰减器@@。

Skyworks Solutions 的@@ SMP1307-027LF PIN 二极管@@阵列将四个@@ PIN 二极管@@组合在@@通用封装中@@,用作@@ 5 MHz 至@@ 2 GHz 频率范围的@@@@ RF/微波衰减器@@@@(图@@ 9)。

二极管@@阵列的@@@@ PIN 二极管@@衰减器@@电路@@

图@@ 9:基于@@ Skyworks Solutions 的@@ SMP1307-027LF PIN 二极管@@阵列的@@@@ PIN 二极管@@衰减器@@电路@@。图@@中以控制电压为参数@@,显示了衰减与频率之间的@@关系@@。(图@@片来源@@:Skyworks Solutions)

该@@ PIN 二极管@@阵列适用于低失真@@ Pi 和@@ T 形配置衰减器@@@@。基于@@ 1.5 微秒@@ (µs) 载流子寿命@@,有效电阻@@ RS 在@@ 1 mA 电流下不超过@@ 100 Ω,在@@ 10 mA 电流下不超过@@ 10 Ω。它适用于电视信号分配应用@@。

总结@@

这些特殊用途二极管@@为以前采用过时技术完成的@@关键功能提供了精巧的@@解决方案@@,现已成为电子电路设计@@的@@主流@@。齐纳@@二极管@@可实现低电压基准@@;肖特基二极管@@@@可降低功率损耗并提供快速开关@@@@;变容二极管@@@@可实现电子微调@@,并取代大体积的@@机械可变电容器@@;PIN 二极管@@则以快断式@@ RF 开关@@取代了机电@@ RF 开关@@。

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