היסודות והיישומים של דיודות זנר (Zener)‏, PIN, שוטקי (Schottky) ווראקטור (Varactor)

בעוד שדיודות סיליקון או גרמניום קונבנציונליות עובדות מצוין כמיישרים ורכיבי מיתוג ברוב יישומי האלקטרוניקה, פונקציות כגון כיוונון אלקטרוני, ניחות אלקטרוני, יישור עם הפסדים נמוכים ויצירת ייחוס מתח, הן לרוב מעבר ליכולתן. במקור, נעשה שימוש בשיטות של "בכוח הזרוע" שהן פרימיטיביות, יקרות ומגושמות יותר כדי לבצע משימות אלו. שיטות אלו פינו את מקומן כעת לדיודות ייעודיות מיוחדות אלגנטיות יותר, כולל דיודות ואראקטור (או קיבוליות משתנה), PIN, שוטקי (Schottky‏) וזנר (Zener‏).

כל אחד מסוגי דיודות אלו תוכנן על ידי שיפור כמה מאפיינים ייחודיים של דיודות עבור יישומי נישה עם מבני דיודות בעלות נמוכה. השימוש בדיודות ייעודיות מיוחדות אלו מפחית את הגודל, העלות ואי-היעילות של פתרונות קונבנציונליים יותר ביישומים אלה. שימושים טיפוסיים כוללים ספקי-כוח ממותגים, מנחתי מיקרוגל ו-RF, מקורות אותות RF ומקמ"שים.

מאמר זה דן בתפקיד ובפעולה של דיודות ייעודיות מיוחדות. לאחר מכן הוא בוחן את המאפיינים הטיפוסיים שלהן באמצעות דוגמאות של Skyworks Solutions ו-ON Semiconductor, לפני שהוא מסיים עם דוגמאות מעגלים כדי להראות כיצד להשתמש בהן ביעילות.

ייחוס מתח עם דיודת זנר (Zener‏)

דיודות זנר מתוכננות לשמור על מתח קבוע על פני הדיודה כאשר מיושם עליה ממתח הפוך. יכולת זו משמשת לספק מתחי ייחוס ידועים, פעולה חשובה בספקי-כוח. דיודות זנר משמשות גם כדי להדק או להגביל צורות-גלים, ולמנוע מהן לחרוג מגבולות המתח.

דיודת זנר מיוצרת באמצעות צומתי p-n עם אילוח (Doping‏) גבוה וכתוצאה מכך שכבת מיחסור (Depletion‏)דקה ביותר. השדה החשמלי הנוצר באזור זה הוא גבוה ביותר אפילו עם מתחים מיושמים נמוכים. בתנאים אלה, כל אחד משני המנגנונים מביא לפריצת הדיודה, וכתוצאה מכך לזרם הפוך גבוה:

• במצב אחד, פריצת זנר מתרחשת במתחים הנמוכים מ-5 וולט והיא תוצאה של מינהור (Tunneling‏) קוונטי של אלקטרונים
• המנגנון השני עבור פריצה הוא כאשר המתחים גבוהים מ-5 וולט; הפריצה היא תוצאה של פריצת מפולת או יוניזציה עוצמתית

בשני המקרים, פעולת הדיודה היא דומה (איור 1).

איור 1: הסימבול הסכמטי של דיודת זנר מוצג, יחד עם עקומת התנהגות הזרם-מתח שלה. לעקומת התנהגות זרם-מתח של דיודת זנר יש אזור הולכה קדומנית נורמלי, אך כאשר הממתח הפוך, מתרחשת פריצה עם מתח קבוע על פני הדיודה. (מקור התמונה: DigiKey‏)

כאשר יש ממתח קדומני על פני דיודת הזנר היא מתנהגת כדיודה סטנדרטית. כאשר יש ממתח אחורני על פני הדיודה, היא מציגה פריצה כאשר הממתח האחורני עולה מעל רמת מתח זנר (Zener‏), _Z‏V‏. בשלב זה הדיודה שומרת על מתח כמעט קבוע בין הקתודה לאנודה. הזרם המינימלי לשמירה על הדיודה באזור הפריצה של הזנר הוא _Zmin‏I‏; הזרם המקסימלי שנקבע על ידי פיזור ההספק הנומינלי של הדיודה הוא _Zmax‏I‏. הזרם חייב להיות מוגבל על ידי התנגדות חיצונית כדי למנוע התחממות-יתר ותקלה. זה מוצג בתרשים הסכמטי של מייצב מתח בסיסי מבוסס זנר הבנוי סביב הזנר 1N5229B‏ של ON Semiconductor (איור 2).

איור 2: תרשים סכמטי של מייצב מתח בסיסי המשתמש בדיודת זנר, ביחד עם היענות ייצוב העומס. (מקור התמונה: DigiKey‏)

לדיודת זנר 1N5229B‏ יש פיזור מקסימלי של 500 מיליוואט (mW) במתח זנר נומינלי של 4.3 וולט. הנגד הטורי(R1‏) של ohm‏ 75‏ (Ω‏) מגביל את פיזור ההספק ל-mW‏ 455‏ ללא עומס. פיזור ההספק יורד עם הגדלת זרם העומס. עקומת ייצוב העומס מוצגת עבור ערכי התנגדות עומס של Ω‏ 200 עד Ω‏ 2,000.

בנוסף לייצוב המתח, דיודות זנר יכולות להיות מחוברות גב-אל-גב כדי לספק הגבלת מתח מבוקרת במתח הזנר, בנוסף לערך נפילת המתח הקדומני. מגביל זנר של 4.3 וולט יגביל ל-±5 וולט. ניתן להרחיב יישומים מגבילים למעגלי הגנת מתח-יתר כלליים יותר.

דיודת שוטקי (Schottky‏)

ה-Schotky, או דיודת נשא חם, מבוססת על צומת מתכת-למוליך-למחצה (איור 3). צד המתכת של הצומת יוצר את אלקטרודת האנודה וצד המוליך-למחצה הוא הקתודה. כאשר מיישמים ממתח קדומני, מפל המתח הקדומני המקסימלי של דיודת Schottky הוא בתחום של 0.2 עד 0.5 וולט, בהתאם לזרם הקדומני ולסוג הדיודה. מפל מתח קדומני נמוך זה הוא שימושי ביותר כאשר דיודת Schottky משמשת בטור עם מקור הספקת כוח, כגון במעגלי הגנה מפני מתח אחורני, מכיוון שהיא מפחיתה את הפסדי ההספק.

איור 3: המבנה הפיזי של דיודת Schottky מבוסס על צומת מתכת-למוליך-למחצה סוג-N, המניב מפל מתח קדומני נמוך וזמני מיתוג מהירים ביותר. (מקור התמונה: DigiKey‏)

המאפיין המשמעותי הנוסף של דיודות אלו הוא זמן המיתוג המהיר שלהן. בניגוד לדיודה סטנדרטית שבה נדרש זמן לפרוק את המטען משכבת המיחסור בעת מיתוג ממצב מופעל למצב כבוי, לדיודת Schottky אין שכבת מיחסור הקשורה לצומת מתכת-מוליך-למחצה.

לדיודות שוטקי יש דירוגי מתח אחורני שיא מוגבלים בהשוואה לדיודות צומת סיליקון. זה מגביל בדרך כלל את השימוש בהם לספקי-כוח ממותגים במתח נמוך. ל-1N5822RLG‏ של ON Semiconductor‏ יש דירוג מתח אחורני שיא (PRV‏) מכובד של 40 וולט וזרם קדומני מקסימלי של A‏ 3‏. היא יכולה להיות מיושמת בכמה אזורים של ספק-כוח ממותג (איור 4).

איור 4: דוגמאות ליישומים טיפוסיים של דיודות שוטקי בספקי-כוח ממותגים כוללים את השימוש בה להגנת הספק אחורני (D1) ושיכוך טרנזיינטים (D2). (מקור התמונה: DigiKey‏)

ניתן להשתמש בדיודות שוטקי כדי להגן על מעגלי המייצב מפני יישום שלא במתכוון של קוטביות הפוכה בכניסה. דיודה D1 משרתת את המטרה הזו בדוגמה. היתרון העיקרי של הדיודה ביישום זה הוא מפל המתח הקדומני הנמוך שלה. פונקציה חשובה יותר של דיודת שוטקי - במקרה זה D2 - היא לספק נתיב חזרה עבור הזרם דרך המשרן, _1‏L‏, כאשר המתג מכובה. D2 חייבת להיות דיודה מהירה המחוברת בחיווט קצר עם השראות נמוכה כדי לבצע פונקציה זו. דיודות שוטקי מספקות את הביצועים הטובים ביותר ביישום זה עבור ספקי-כוח מתח נמוך.

דיודות שוטקי משמשות גם ביישומים של תכני RF שבהם המיתוג המהיר, מפל המתח הקדומני הנמוך והקיבוליות הנמוכה שלהן הופכות אותן לשימושיות עבור גלאים ומתגי דגימה-והחזקה.

דיודות ואראקטור

דיודת וואראקטור, הנקראת לעתים דיודת Varicap‏, היא דיודת צומת המתוכננת לספק קיבוליות משתנה. צומת ה-P-N היא בממתח אחורני, וניתן לשנות את קיבוליות הדיודה על ידי שינוי ממתח ה-DC המיושם (איור 5).

איור 5: דיודת ואראקטור מספקת קיבוליות משתנה בהתאם לממתח האחורני המיושם. ככל שרמת הממתח גבוהה יותר כך הקיבוליות נמוכה יותר. (מקור התמונה: DigiKey‏)

הקיבוליות של הוואראקטור משתנה ביחס הפוך לממתח ה- DC המיושם. ככל שהממתח האחורני גבוה יותר כך אזור מיחסור הדיודה רחב יותר, ולכן הקיבוליות נמוכה יותר. שינויים אלו ניתן לראות בגרף הקיבוליות לעומת המתח האחורני עבור דיודת ואראקטור צומת Hyper-Abrupt‏ SMV1801_079LF‏ של Skyworks Solutions‏ (איור 6‏).

איור 6‏: גרף הקיבוליות של ואראקטור SMV1801-079LF של Skyworks Solutions כפונקציה של מתח הממתח האחורני. (מקור התמונה: Skyworks Solutions)

דיודות אלו מציעות מתח פריצה גבוה, מתחי ממתח גבוהים עד 28 וולט, והן ניתנות ליישום על פני תחום כיוונון רחב. יש ליישם את מתח הבקרה על הוואראקטור כדי לא לשבש את הממתח של הדרגה הבאה אשר בדרך כלל מוצמדת-קיבולית כפי שמוצג באיור 7.

איור 7: מתנד AC מתכוונן-ואראקטור מצמיד את הוואראקטור D1 למתנד דרך הקבל C1. מתח הבקרה מיושם דרך נגד R1. (מקור התמונה: DigiKey‏)

הוואראקטור מוצמד AC למעגל ה-Tank‏ של המתנד דרך קבל גדול, C1. זה מבודד את הוואראקטור, D1, ממתחי ממתח הטרנזיסטור, ולהיפך. מתח הבקרה מיושם דרך נגד מבודד R1.

ואראקטורים יכולים להחליף קבלים משתנים ביישומים אחרים, כגון בכיוונון מסנני RF או מיקרוגל, במאפנני תדר או פאזה, במסיטי פאזה או במכפילי תדר.

דיודות PIN

דיודת PIN משמשת כמתג או כמנחת בתדרי RF ומיקרוגל. היא נוצרת על ידי יצירת סנדוויץ' של שכבת מוליכים-למחצה אינטרינזית בעלת התנגדות גבוהה בין שכבות סוג P וסוג N של דיודה קונבנציונלית; ומכאן השם PIN, המשקף את מבנה הדיודה (איור 8).

הדיודה ללא-ממתח או עם-ממתח היא ללא מטען אגור בשכבה האינטרינזית. זהו המצב הכבוי של יישומי מיתוג. החדרת השכבה האינטרינזית מגדילה את הרוחב האפקטיבי של שכבת המיחסור של הדיודה, וכתוצאה מכך קיבוליות נמוכה ביותר ומתחי פריצה גבוהים יותר.

איור 8: המבנה של דיודת PIN כולל שכבה של חומר מוליכים-למחצה אינטרינזי בין חומרי P ו-N של אלקטרודות האנודה והקתודה, בהתאמה. (מקור התמונה: DigiKey‏)

מצב ממתח קדומני גורם לחורים באלקטרונים המוזרקים לתוך השכבה האינטרינזית. לנשאים אלה לוקח זמן מסוים להתאחד זה עם זה. זמן זה מכונה חיי הנשא, t‏. ישנו מטען מאוחסן ממוצע המוריד את ההתנגדות האפקטיבית של השכבה האינטרינזית להתנגדות מינימלית, _S‏R‏. במצב עם ממתח קדומני, הדיודה משמשת כמנחת RF.

מערך דיודות PIN‏ SMP1307-027LF‏ של Skyworks Solutions משלב ארבע דיודות PIN במארז משותף לשימוש כמנחת RF/מיקרוגל בתחום התדרים של 5 מגה-הרץ (MHz) עד 2 גיגה-הרץ (GHz) (איור 9).

איור 9: מעגל מנחת דיודות PIN המבוסס על מערך דיודות PIN‏ SMP1307-027LF‏ של Skyworks Solutions. הגרף מציג ניחות לעומת תדר עם מתח הבקרה כפרמטר. (מקור התמונה: Skyworks Solutions)

מערך דיודות PIN מתוכנן עבור מנחתים בתצורות Pi ו-Tee עם עיוותים נמוכים. ההתנגדות האפקטיבית, _S‏R‏ , היא מקסימום של Ω‏ 100‏ ב-mA‏ 1‏ ו-Ω‏ 10‏ ב-mA‏ 10‏, על בסיס משך חיים נשא של 1.5 מיקרו-שניות (µs‏). המערך מיועד ליישומי פילוג אותות טלוויזיה.

סיכום

דיודות ייעודיות מיוחדות אלו הפכו לעמודי התווך של תכני מעגלים אלקטרוניים הודות למתן פתרון אלגנטי לפונקציות מפתח שהושגו בעבר עם טכנולוגיה שכיום היא מיושנת. דיודות זנר מאפשרות מתחי ייחוס נמוכים; דיודות שוטקי מפחיתות את הפסדי ההספק ומעניקות מיתוג מהיר; דיודות ואראקטור מאפשרות כיוונון אלקטרוני ומחליפות קבלים משתנים מכניים מגושמים; ודיודות PIN מחליפות את מתגי RF אלקטרו-מכניים במיתוג RF עם פעולה-מהירה.