Grundlagen und Anwendung von Zener-, PIN-, Schottky- und Varaktordioden

In den meisten Elektronikanwendungen können konventionelle Silizium- oder Germaniumdioden problemlos als Gleichrichter und Schaltelemente eingesetzt werden, aber bei Funktionen wie elektronischer Abstimmung, elektronischer Dämpfung, verlustarmer Gleichrichtung und Spannungsreferenzerzeugung stoßen sie meist an ihre Grenzen. Ursprünglich wurde deshalb auf primitivere, teure und platzgreifende „Brachialmethoden“ zurückgegriffen, um die genannten Funktionen umzusetzen. Inzwischen sind diese Methoden eleganteren Ansätzen mit Dioden für Spezialanwendungen gewichen, zu denen Varaktor- (oder Dioden mit variabler Kapazität), PIN-, Schottky- und Zenerdioden gehören.

Bei der Entwicklung dieser Diodenarten wurden jeweils bestimmte einzigartige Diodenmerkmale verstärkt, um so für Nischenanwendungen kostengünstige Diodenstrukturen zur Verfügung stellen zu können. Mit dem Einsatz dieser Dioden für Spezialanwendungen werden nun Größe, Kosten und Ineffizienz der konventionelleren Lösungen bei solchen Anwendungen reduziert. Zu den typischen Einsatzbereichen gehören Schaltnetzteile, Mikrowellen- und HF-Dämpfungsglieder, HF-Signalquellen und Transceiver.

In diesem Artikel werden die Rolle und der Betrieb von Dioden für Spezialanwendungen beleuchtet. Anschließend werden deren typische Merkmale anhand von Beispielen von Skyworks Solutions und ON Semiconductor vorgestellt, ehe zum Abschluss Beispielschaltkreise gezeigt werden, um den effektiven Einsatz dieser Dioden zu demonstrieren.

Spannungsreferenz mithilfe von Zener-Dioden

Zener-Dioden sollen eine feste Spannung über die Diode hinweg aufrechterhalten, wenn diese in Sperrrichtung betrieben wird. Mit dieser Funktion werden bekannte Referenzspannungen bereitgestellt, eine wichtige Aufgabe bei Netzteilen. Zudem werden mithilfe von Zener-Dioden Wellenformen beschnitten oder begrenzt, um so zu vermeiden, dass diese die jeweiligen Spannungsgrenzwerte überschreiten.

Die Herstellung der Zener-Diode erfolgt unter Verwendung stark dotierter p-n-Übergänge, was zu einer äußerst dünnen Verarmungsschicht führt. Das daraus resultierende elektrische Feld in diesem Bereich ist selbst bei niedrigen Spannungen äußerst stark. Unter diesen Bedingungen führt einer der folgenden zwei Mechanismen zu einem Durchbruch in der Diode, was wiederum zu einem starken Sperrstrom führt:

• Beim ersten Mechanismus erfolgt der Zener-Durchbruch bei Spannungen von unter 5 Volt und ist das Ergebnis vom Quantentunneln der Elektronen.
• Beim zweiten Mechanismus erfolgt der Durchbruch, wenn die Spannungen über 5 Volt liegen; hier ist der Durchbruch das Ergebnis des Lawinendurchbruch-Effekts bzw. der Stoßionisation.

In beiden Fällen läuft der Diodenbetrieb ähnlich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Zu sehen ist das Schaltplansymbol für eine Zener-Diode, zusammen mit deren Strom-Spannungs-Kennlinie. Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Zener-Diode weist einen normalen vorwärtsgerichteten Leitbereich auf, aber wenn sie in Sperrrichtung betrieben wird, erfolgt ein Durchbruch mit einer konstanten Spannung in der Diode. (Bildquelle: DigiKey)

Wenn die Zener-Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, verhält sie sich wie eine Standard-Diode. Bei einem Betrieb in Sperrrichtung verzeichnet sie einen Durchbruch, wenn die Höhe der Sperrspannung die Höhe der Zener-Spannung übersteigt, V_Z. An diesem Punkt hält die Diode eine nahezu konstante Spannung zwischen Kathode und Anode aufrecht. Der Mindeststrom, um die Diode im Zener-Durchbruchbereich zu halten, lautet I_Zmin; der Höchststrom, der sich aus der Nennverlustleistung der Diode bestimmt, lautet I_Zmax. Der Strom muss durch einen externen Widerstand begrenzt werden, um Überhitzung und Ausfall zu verhindern. Dies wird in dem Schaltbild eines einfachen Zener-basierten Spannungsreglers gezeigt, der auf der Zener-Diode 1N5229B von ON Semiconductor basiert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Schaltbild eines einfachen Spannungsreglers mit Zener-Diode, zusammen mit der entsprechenden Lastregelung. (Bildquelle: DigiKey)

Die Zener-Diode 1N5229B hat eine maximale Verlustleistung von 500 Milliwatt (mW) bei einer Zener-Nennspannung von 4,3 Volt. Der Serienwiderstand (R1) mit 75 Ohm (Ω) begrenzt die Verlustleistung auf 455 mW, wenn keine Last anliegt. Bei zunehmendem Laststrom nimmt die Verlustleistung ab. Die Lastregelungskennlinie wird für Lastwiderstandswerte von 200 Ω bis 2000 Ω angezeigt.

Neben der Spannungsregelung können Zener-Dioden auch gegeneinander geschaltet werden, um so bei der Zener-Spannung eine kontrollierte Spannungsbegrenzung sowie den Wert für den Durchlassspannungsabfall bereitzustellen. Ein 4,3-Volt-Zener-Begrenzer würde bei ±5 Volt für eine Begrenzung sorgen. Die Begrenzungsanwendungen können auch auf allgemeinere Überspannungsschutzschaltungen ausgeweitet werden.

Die Schottky-Diode

Die Schottky- oder Hot-Carrier-Diode basiert auf einem Metall-Halbleiter-Übergang (Abbildung 3). Die Metallseite des Übergangs bildet die Anodenelektrode und die Halbleiterseite bildet die Kathode. Wenn der Betrieb in der Durchlassrichtung erfolgt, liegt der maximale Durchlassspannungsabfall der Schottky-Diode im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 Volt, in Abhängigkeit vom Durchlassstrom und dem Diodentyp. Dieser niedrige Durchlassspannungsabfall ist extrem nützlich, wenn die Schottky-Diode bei einer Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist, wie dies beispielsweise bei Verpolungsschutzschaltungen der Fall ist, da die Diode so die Leistungsverluste reduziert.

Abbildung 3: Die physische Struktur der Schottky-Diode basiert auf einem Metall-N-Typ-Halbleiter-Übergang und bietet einen niedrigen Durchlassspannungsabfall und sehr schnelle Schaltzeiten. (Bildquelle: DigiKey)

Das andere hervorstechende Merkmal dieser Dioden ist ihre äußerst schnelle Schaltzeit. Im Gegensatz zu Standard-Dioden, die Zeit brauchen, um Ladungsträger aus der Verarmungsschicht zu entfernen, wenn sie vom Ein- zum Ausschaltzustand schalten, hat die Schottky-Diode keine Verarmungsschicht beim Metall-Halbleiter-Übergang.

Im Vergleich zu Dioden mit Silizium-Übergang haben Schottky-Dioden nur eine begrenzte Nennspitzensperrspannung. Dies beschränkt ihren Einsatz für gewöhnlich auf Schaltnetzteile mit niedriger Spannung. Die 1N5822RLG von ON Semiconductor hat eine beachtliche Spitzensperrspannung (PRV) von 40 Volt und einen maximalen Durchlassstrom von 3 A. Sie kann in verschiedenen Bereichen eines Schaltnetzteils eingesetzt werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Zu den typischen Anwendungen von Schottky-Dioden in Schaltnetzeilen gehören zum Beispiel ihr Einsatz im Bereich Rückleistungsschutz (D1) und Überspannungsschutz (D2). (Bildquelle: DigiKey)

Mit Schottky-Dioden können Reglerschaltkreise vor unbeabsichtigter Verpolung am Eingang geschützt werden. In dem Beispiel dient Diode D1 diesem Zweck. Der Hauptvorteil der Diode in dieser Anwendung ist ihr niedriger Durchlassspannungsabfall. Eine wichtigere Aufgabe einer Schottky-Diode – in diesem Fall D2 – ist die Bereitstellung einer Rückleitung für den Strom durch den Induktor L₁, wenn der Schalter ausgeschaltet wird. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, muss D2 eine schnelle Diode sein, die an kurze, niederinduktive Verkabelung angeschlossen ist. Schottky-Dioden erbringen in diesem Anwendungsbereich bei Niedrigspannungsnetzteilen die beste Leistung.

Darüber hinaus finden Schottky-Dioden Anwendung in HF-Designs, wo sie mit ihren schnellen Schaltvorgängen, niedrigen Durchlassspannungsabfällen und geringer Kapazität für Detektoren und Sample-und-Hold-Schalter eine nützliche Rolle übernehmen.

Varaktordioden

Die Varaktordiode, manchmal auch als Varicap-Diode bezeichnet, ist eine Diode mit Übergang, die variable Kapazität zur Verfügung stellt. Der p-n-Übergang wird in Sperrrichtung betrieben, die Diodenkapazität kann durch Änderung der angelegten DC-Vorspannung variiert werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Varaktordiode bietet in Abhängigkeit von der angelegten Sperrvorspannung variable Kapazität: je höher die Vorspannung, desto geringer die Kapazität. (Bildquelle: DigiKey)

Die Kapazität der Varaktordiode ändert sich umgekehrt zur angelegten DC-Vorspannung. Je höher die Sperrvorspannung, desto größer die Verarmungszone der Diode und dementsprechend desto geringer die Kapazität. Diese Änderung zeigt sich grafisch in dem Kapazität-Sperrspannung-Diagramm für die Varaktordiode SMV1801-079LF mit hyperabruptem Übergang von Skyworks Solutions (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Kapazität der Varaktordiode SMV1801-079LF von Skyworks Solutions in Abhängigkeit von der Sperrvorspannung. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Diese Dioden bieten eine hohe Durchbruchspannung, Vorspannungen von bis zu 28 Volt und können über einen großen Abstimmungsbereich eingesetzt werden. Das Anlegen der Steuerspannung an die Varaktordiode muss dabei so erfolgen, dass das Anlegen der Vorspannung an die folgende Stufe nicht gestört wird; üblicherweise wird sie wie in Abbildung 7 gezeigt kapazitiv gekoppelt.

Abbildung 7: Eine mit einer Varaktordiode abgestimmte Oszillator-AC-Spannung koppelt die Varaktordiode D1 über den Kondensator C1 an den Oszillator. Die Steuerspannung wird über den Widerstand R1 angelegt. (Bildquelle: DigiKey)

Die Varaktordiode wird per AC-Spannung über einen großen Kondensator C1 an den Oszillatorschwingkreis gekoppelt. Dies trennt die Varaktordiode D1 von den Vorspannungen des Transistors und umgekehrt. Die Steuerspannung wird über den trennenden Widerstand R1 angelegt.

Varaktordioden können variable Kondensatoren in anderen Anwendungen ersetzen, wie beispielsweise bei der Abstimmung von HF- oder Mikrowellenfiltern, bei Frequenz- oder Phasenmodulatoren, Phasenschiebern oder Frequenzvervielfachern.

PIN-Dioden

Die PIN-Diode wird entweder als Schalter oder als Dämpfer bei HF- und Mikrowellenfrequenzen eingesetzt. Sie weist zwischen der p- und n-Schicht, wie es sie bei konventionellen Dioden gibt, zusätzlich eine intrinsisch leitende Halbleiterschicht mit hohem Widerstand auf; deshalb auch die Bezeichnung „PIN“ (Positiv-Intrinsisch-Negativ), in der sich der Aufbau der Diode widerspiegelt (Abbildung 8).

Die in Durchlass- bzw. Sperrrichtung betriebene Diode hat in der intrinsisch leitenden Schicht keine gespeicherten Ladungsträger. Das ist der Aus-Zustand bei Schaltanwendungen. Mit der intrinsischen Schicht wird die effektive Breite der Verarmungsschicht erhöht, was zu einer äußerst geringen Kapazität und höheren Durchbruchspannungen führt.

Abbildung 8: Zur Struktur einer PIN-Diode gehört eine Schicht mit intrinsischem Halbleitermaterial zwischen dem p- und n-Material der Anoden- bzw. der Kathodenelektronen. (Bildquelle: DigiKey)

Wenn Durchlassspannung anliegt, werden Löcher und Elektronen in die intrinsische Schicht injiziert. Diese Träger benötigen eine gewisse Zeit, um sich neu anzuordnen. Diese Zeit wird als Träger-Lebensdauer t bezeichnet. Dann ist eine durchschnittliche gespeicherte Ladung vorhanden, welche den effektiven Widerstand der intrinsischen Schicht auf einen Mindestwiderstand, R_S, senkt. Wenn Durchlassspannung anliegt, wird die Diode als HF-Dämpfungsglied genutzt.

Das PIN-Diodenarray SMP1307-027LF von Skyworks Solutions vereint vier PIN-Dioden in einem gemeinsamen Gehäuse, die als HF-/-Mikrowellendämpfungsglieder über einen Frequenzbereich von 5 Megahertz (MHz) bis 2 Gigahertz (GHz) eingesetzt werden (Abbildung 9).

Abbildung 9: Eine PIN-Diodendämpferschaltung auf der Grundlage des PIN-Diodenarrays SMP1307-027LF von Skyworks Solutions. Die Kennlinie zeigt die Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz mit der Steuerungsspannung als Parameter. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Das PIN-Diodenarray wurde für verzerrungsarme Dämpfungsglieder mit Pi- und T-Konfiguration entwickelt. Der effektive Widerstand R_S beträgt maximal 100 Ω bei 1 mA und 10 Ω bei 10 mA, ausgehend von einer Träger-Lebensdauer von 1,5 Mikrosekunden (µs). Er ist für Anwendungen im Bereich TV-Signalverteilung gedacht.

Fazit

Dioden für Spezialanwendungen sind zu wichtigen Elementen bei der Entwicklung elektronischer Schaltungen geworden und bieten eine elegante Lösung für die Umsetzung zentraler Funktionen, die zuvor mit inzwischen ausgedienter Technik implementiert wurden. So ermöglichen Zener-Dioden niedrige Spannungsreferenzen, Schottky-Dioden bieten geringere Leistungsverluste und schnelle Schaltvorgänge, Varaktordioden ermöglichen die elektronische Abstimmung und ersetzen große mechanische variable Kondensatoren und PIN-Dioden ersetzen mit ihren schnellen HF-Schaltvorgängen elektromechanische HF-Schalter.