ความรู้พื้นฐานและการประยุกต์ซีเนอร์, PIN, ชอตกี, และไดโอดวาแรคเตอร์

แม้ว่าซิลิคอนหรือไดโอดเจอร์เมเนียมแบบเดิมจะทำงานได้ดีในฐานะวงจรเรียงกระแสและองค์ประกอบสวิตชิ่งในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ แต่ฟังก์ชันต่างๆ เช่น การปรับจูนทางอิเล็กทรอนิกส์ การลดทอนทางอิเล็กทรอนิกส์ การแก้ไขการสูญเสียต่ำ และการสร้างแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงส่วนใหญ่นั้นอยู่นอกเหนือความสามารถส่วนใหญ่ เดิมทีมีการใช้วิธี "ใช้แต่กำลัง" แบบดั้งเดิมที่มีค่าใช้จ่ายสูงและจำนวนมากเพื่อทำงานเหล่านี้ให้สำเร็จ วิธีการเหล่านี้ได้เปิดทางให้กับไดโอดวัตถุประสงค์พิเศษที่หรูหรายิ่งขึ้น รวมถึงไดโอดวาแรคเตอร์ (หรือความจุแบบแปรผัน), PIN, ชอตกี้ (Schottky), และ ซีเนอร์ (Zener)

ไดโอดแต่ละประเภทได้รับการออกแบบโดยการเพิ่มคุณลักษณะเฉพาะของไดโอดเพื่อเติมเต็มการใช้งานเฉพาะกลุ่มด้วยโครงสร้างไดโอดราคาประหยัด การใช้ไดโอดวัตถุประสงค์พิเศษเหล่านี้ช่วยลดขนาด ต้นทุน และความไร้ประสิทธิภาพของโซลูชันทั่วไปในการใช้งานเหล่านี้ การใช้งานทั่วไป ได้แก่ แหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์ ตัวลดทอนไมโครเวฟและ RF แหล่งสัญญาณ RF และเครื่องรับส่งสัญญาณ

บทความนี้กล่าวถึงบทบาทและการทำงานของไดโอดวัตถุประสงค์พิเศษ จากนั้นจึงพิจารณาคุณลักษณะทั่วไปโดยใช้ตัวอย่างจาก Skyworks Solutions และ ON Semiconductor ก่อนจะจบด้วยตัวอย่างวงจรเพื่อแสดงวิธีใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพ

การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าไดโอดซีเนอร์

ไดโอดซีเนอร์ได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าคงที่ทั่วไดโอดเมื่อมีการกลับทิศทาง ความสามารถนี้ใช้เพื่อจัดเตรียมแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่ทราบ ซึ่งเป็นการดำเนินการที่สำคัญในแหล่งจ่ายไฟ ซีเนอร์ไดโอดยังใช้ในการตัดหรือจำกัดรูปคลื่น เพื่อป้องกันไม่ให้เกินขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า

ไดโอดซีเนอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้จุดเชื่อมต่อ p-n ที่มีสารเจือสูง ส่งผลให้ชั้นพร่องบางมาก สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขอบเขตนี้จะสูงมากแม้จะมีแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ต่ำก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ กลไกใดกลไกหนึ่งในสองกลไกส่งผลให้ไดโอดเสียหาย ส่งผลให้มีกระแสย้อนกลับสูง:

• ในสภาวะหนึ่ง การสลายซีเนอร์จะเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 5 โวลต์ และเป็นผลมาจากการขุดอุโมงค์ควอนตัมอิเล็กตรอน
• กลไกที่สองสำหรับการพังทลายคือเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 5 โวลต์; การพังทลายเป็นผลมาจากการพังทลายแบบอะวาเลนช์หรือการแตกตัวเป็นไอออนของผลกระทบ

ไม่ว่าในกรณีใด การทำงานของไดโอดจะคล้ายกัน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: สัญลักษณ์แผนผังสำหรับไดโอดซีเนอร์จะปรากฏขึ้นพร้อมกับเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบัน ลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของไดโอดซีเนอร์มีโซนการนำไฟฟ้าไปข้างหน้าตามปกติ แต่เมื่อกลับด้านไบอัส มันจะพังลงด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่พาดผ่านไดโอด (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

เมื่อไดโอดซีเนอร์มีความลำเอียงไปข้างหน้า มันจะทำงานเหมือนไดโอดมาตรฐาน ภายใต้อคติย้อนกลับ มันจะแสดงการพังทลายเมื่อระดับอคติย้อนกลับเกินระดับแรงดันซีเนอร์ V_Z ณ จุดนี้ ไดโอดจะรักษาแรงดันไฟฟ้าเกือบคงที่ระหว่างแคโทดและแอโนด กระแสไฟฟ้าขั้นต่ำที่จะเก็บไดโอดไว้ในบริเวณสลายของซีเนอร์คือ I_Zmin กระแสสูงสุดที่กำหนดโดยการกระจายกำลังไฟพิกัดของไดโอดคือ I_Zmax กระแสไฟจะต้องถูกจำกัดด้วยความต้านทานภายนอกเพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไปและความล้มเหลว สิ่งนี้แสดงในแผนผังของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ซีเนอร์พื้นฐานซึ่งสร้างขึ้นรอบๆ ซีเนอร์ 1N5229B ของ ON Semiconductor (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แผนผังของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานโดยใช้ซีเนอร์ไดโอด พร้อมกับการตอบสนองของการควบคุมโหลด (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

ไดโอดซีเนอร์ 1N5229B มีการกระจายสูงสุด 500 มิลลิวัตต์ (mW) ที่แรงดันไฟฟ้าซีเนอร์ระบุที่ 4.3 โวลต์ ตัวต้านทานอนุกรม 75 โอห์ม (Ω) (R1) จำกัดการกระจายพลังงานไว้ที่ 455 mW โดยไม่มีโหลด การกระจายพลังงานจะลดลงตามกระแสโหลดที่เพิ่มขึ้น กราฟควบคุมโหลดจะแสดงสำหรับค่าความต้านทานโหลด 200 Ω ถึง 2,000 Ω

นอกเหนือจากการควบคุมแรงดันไฟฟ้าแล้ว ไดโอดซีเนอร์ยังสามารถต่อสายกลับไปด้านหลังเพื่อควบคุมการจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าซีเนอร์ บวกกับค่าการลดแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า ตัวจำกัดซีเนอร์ 4.3 โวลต์จะจำกัดที่ ±5 โวลต์ การจำกัดการใช้งานสามารถขยายไปยังวงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินทั่วไปทั่วไปได้

ไดโอดชอตกี(Schottky)

ชอตกีหรือไดโอดตัวพาร้อนนั้นมีพื้นฐานมาจากจุดเชื่อมต่อระหว่างโลหะกับเซมิคอนดักเตอร์ (รูปที่ 3) ด้านโลหะของทางแยกจะสร้างอิเล็กโทรดแอโนด และด้านเซมิคอนดักเตอร์คือแคโทด เมื่อเอนเอียงไปในทิศทางไปข้างหน้า แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าสูงสุดของไดโอดชอตกีจะอยู่ในช่วง 0.2 ถึง 0.5 โวลต์ ขึ้นอยู่กับกระแสไปข้างหน้าและประเภทของไดโอด แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำนี้มีประโยชน์อย่างมากเมื่อใช้ไดโอดชอตกีต่ออนุกรมกับแหล่งพลังงาน เช่น ในวงจรป้องกันแรงดันย้อนกลับ เนื่องจากจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน

รูปที่ 3: โครงสร้างทางกายภาพของไดโอดชอตกีขึ้นอยู่กับจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ชนิดโลหะถึง N ส่งผลให้แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำและเวลาในการสลับที่รวดเร็วมาก (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

ลักษณะสำคัญอื่น ๆ ของไดโอดเหล่านี้คือเวลาในการเปลี่ยนที่รวดเร็วมาก ต่างจากไดโอดมาตรฐานที่ต้องใช้เวลาในการขจัดประจุออกจากชั้นพร่องเมื่อเปลี่ยนจากสภาวะเปิดเป็นปิด ไดโอดชอตกีไม่มีชั้นพร่องที่เกี่ยวข้องกับจุดเชื่อมต่อโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์

ไดโอดชอตกีมีพิกัดแรงดันย้อนกลับสูงสุดที่จำกัด เมื่อเปรียบเทียบกับไดโอดชุมทางซิลิคอน โดยทั่วไปจะจำกัดการใช้งานไว้กับแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดแรงดันต่ำ 1N5822RLG ของ ON Semiconductor มีพิกัดแรงดันย้อนกลับสูงสุด (PRV) ที่เชื่อถือได้ที่ 40 โวลต์ และกระแสไปข้างหน้าสูงสุดที่ 3 A สามารถใช้งานได้ในหลายพื้นที่ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ตัวอย่างการใช้งานทั่วไปของไดโอดชอตกีในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ได้แก่ การใช้สำหรับการป้องกันไฟย้อนกลับ (D1) และป้องกันแรงดันหยุดชั่วขณะ (D2) (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

ไดโอดชอตกีสามารถใช้เพื่อป้องกันวงจรควบคุมจากการใช้ขั้วกลับด้านที่อินพุตโดยไม่ได้ตั้งใจ ไดโอด D1 ทำหน้าที่ตามจุดประสงค์ดังกล่าวในตัวอย่าง ข้อได้เปรียบหลักของไดโอดในการใช้งานนี้คือแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมต่ำ ฟังก์ชันที่สำคัญกว่าสำหรับไดโอดชอตกี—ในกรณีนี้คือ D2—คือการจัดเตรียมเส้นทางส่งคืนสำหรับกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำ L₁ เมื่อสวิตช์ดับลง D2 จะต้องเป็นไดโอดแบบเร็วที่เชื่อมต่อด้วยการเดินสายไฟแบบสั้นและมีความเหนี่ยวนำต่ำเพื่อให้ฟังก์ชันนี้บรรลุผลสำเร็จ ไดโอดชอตกีให้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในการประยุกต์ใช้งานนี้กับแหล่งจ่ายแรงดันต่ำ

ไดโอดชอตกียังพบการใช้งานในการออกแบบ RF ที่มีการสลับอย่างรวดเร็ว แรงดันไฟฟ้าตกต่ำไปข้างหน้า และความจุไฟฟ้าต่ำ ทำให้มีประโยชน์สำหรับเครื่องตรวจจับและสวิตช์ตัวอย่างและค้าง

ไดโอดวาแรคเตอร์

ไดโอดวาแรคเตอร์ บางครั้งเรียกว่าไดโอดวาริแคป เป็นไดโอดแยกที่ออกแบบมาเพื่อให้ความจุแปรผัน จุดเชื่อมต่อ PN จะกลับด้านเอนเอียง และความจุของไดโอดสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนไบอัส DC ที่ใช้ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ไดโอดวาแรคเตอร์ให้ความจุแปรผันขึ้นอยู่กับไบอัสย้อนกลับที่ใช้ ยิ่งระดับไบอัสสูง ค่าความจุไฟฟ้าก็จะยิ่งต่ำลง (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

ความจุของวาแรคเตอร์จะแปรผกผันกับค่าไบอัส DC ที่ใช้ ยิ่งค่าไบอัสย้อนกลับสูงเท่าไร พื้นที่การพร่องของไดโอดก็จะกว้างขึ้น และด้วยเหตุนี้ค่าความจุไฟฟ้าก็จะยิ่งต่ำลง รูปแบบนี้สามารถเห็นได้เป็นกราฟิกในกราฟความจุเทียบกับกราฟแรงดันย้อนกลับสำหรับไดโอดวาแรคเตอร์ชุมทางไฮเปอร์บรัปต์ SMV1801-079LF ของ Skyworks Solutions (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ความจุของวาแรคเตอร์ SMV1801-079LF ของ Skyworks Solutions เป็นฟังก์ชันของแรงดันไบอัสย้อนกลับ (แหล่งรูปภาพ: Skyworks Solutions)

ไดโอดเหล่านี้มีแรงดันพังทลายสูง แรงดันไบอัสสูงถึง 28 โวลต์ และสามารถใช้ได้ในช่วงการปรับจูนที่กว้าง ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าควบคุมกับวาแรคเตอร์เพื่อไม่ให้เกิดความลำเอียงของขั้นตอนต่อไปนี้ โดยปกติแล้วจะเชื่อมต่อแบบ คาปาซิทีฟดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7: ออสซิลเลเตอร์ที่ปรับค่าวาแรคเตอร์ AC จะจับคู่วาแรคเตอร์ D1 กับออสซิลเลเตอร์ผ่านตัวเก็บประจุ C1 แรงดันไฟฟ้าควบคุมถูกจ่ายผ่านตัวต้านทาน R1 (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

วาแรคเตอร์เป็นไฟฟ้ากระแสสลับควบคู่กับวงจรถังออสซิลเลเตอร์ผ่านตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ C1 วิธีนี้จะแยกวาแรคเตอร์ D1 ออกจากแรงดันไบอัสของทรานซิสเตอร์ และในทางกลับกัน แรงดันไฟฟ้าควบคุมถูกจ่ายผ่านตัวต้านทานแบบแยก R1

วาแรคเตอร์สามารถแทนที่ตัวเก็บประจุแบบแปรผันในการใช้งานอื่นๆ ได้ เช่น ในการปรับจูนตัวกรอง RF หรือไมโครเวฟ ในโมดูเลเตอร์ความถี่หรือเฟส ในเฟสชิฟเตอร์ หรือในตัวคูณความถี่

ไดโอด PIN

ไดโอด PIN ใช้เป็นสวิตช์หรือตัวลดทอนที่ความถี่ RF และไมโครเวฟ มันถูกสร้างขึ้นโดยการประกบชั้นเซมิคอนดักเตอร์ภายในที่มีความต้านทานสูงระหว่างชั้น P-type และ N-type ของไดโอดทั่วไป จึงเป็นที่มาของชื่อ PIN ซึ่งสะท้อนถึงโครงสร้างของไดโอด (รูปที่ 8)

ไดโอดเอนเอียงที่เป็นกลางหรือกลับด้านไม่มีประจุเก็บไว้ในชั้นภายใน นี่เป็นเงื่อนไขการปิดการสลับการใช้งาน การแทรกชั้นภายในจะเพิ่มความกว้างที่มีประสิทธิภาพของชั้นพร่องของไดโอด ส่งผลให้ความจุไฟฟ้าต่ำมากและแรงดันพังทลายสูงขึ้น

รูปที่ 8: โครงสร้างของไดโอด PIN ประกอบด้วยชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ภายในระหว่างวัสดุ P และ N ของขั้วบวกและแคโทดตามลำดับ (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

สภาวะเอนเอียงไปข้างหน้าส่งผลให้รูและอิเล็กตรอนถูกฉีดเข้าไปในชั้นภายใน ตัวพาเหล่านี้ใช้เวลาพอสมควรในการรวมตัวกันใหม่ เวลานี้เรียกว่าอายุการใช้งานของตัวพา, t มีประจุเฉลี่ยที่เก็บไว้ซึ่งจะลดความต้านทานที่มีประสิทธิผลของชั้นภายในให้เหลือความต้านทานขั้นต่ำ R_S ในสภาวะเอนเอียงไปข้างหน้า ไดโอดจะถูกใช้เป็นตัวลดทอนสัญญาณ RF

อาร์เรย์ไดโอด PIN SMP1307-027LF ของ Skyworks Solutions รวมไดโอด PIN สี่ตัวในแพ็คเกจทั่วไปเพื่อใช้เป็นตัวลดทอนสัญญาณ RF/ไมโครเวฟ ในช่วงความถี่ 5 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ถึง 2 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: วงจรลดทอนไดโอด PIN ที่ใช้อาร์เรย์ไดโอด PIN ของ Skyworks Solutions SMP1307-027LF กราฟแสดงการลดทอนเทียบกับความถี่โดยมีแรงดันไฟฟ้าควบคุมเป็นพารามิเตอร์ (แหล่งรูปภาพ: Skyworks Solutions)

อาร์เรย์ไดโอด PIN ได้รับการออกแบบสำหรับตัวลดทอนการกำหนดค่า Pi และ Tee ที่มีความผิดเพี้ยนต่ำ ความต้านทานที่มีประสิทธิผล R_S มีค่าสูงสุด 100 Ω ที่ 1 mA และ 10 Ω ที่ 10 mA โดยอิงตามอายุการใช้งานของตัวพาที่ 1.5 ไมโครวินาที (µs) มีไว้สำหรับการใช้งานการกระจายสัญญาณ TV

สรุป

ไดโอดสำหรับใช้งานพิเศษเหล่านี้ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยนำเสนอโซลูชันที่หรูหราสำหรับฟังก์ชันหลักๆ ที่แต่ก่อนประสบความสำเร็จด้วยเทคโนโลยีที่ล้าสมัยในปัจจุบัน ไดโอดซีเนอร์ช่วยให้สามารถอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าต่ำได้ ไดโอดชอตกีช่วยลดการสูญเสียพลังงานและให้การสลับที่รวดเร็ว ไดโอดวาแรคเตอร์ช่วยให้สามารถปรับจูนด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์และแทนที่ตัวเก็บประจุแปรผันเชิงกลขนาดใหญ่ และไดโอด PIN จะแทนที่สวิตช์ RF ของระบบเครื่องกลไฟฟ้าด้วยสวิตช์ RF ที่ตอบสนองรวดเร็ว