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Nozioni fondamentali e applicazioni dei diodi Zener, PIN, Schottky e varicap

Di Art Pini

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Anche se nella maggior parte delle applicazioni elettroniche i diodi convenzionali al silicio o al germanio sono una soluzione valida come raddrizzatori ed elementi di commutazione, funzioni come la regolazione e l'attenuazione elettronica, il raddrizzamento a bassa perdita e la generazione di tensione di riferimento esulano per lo più dalle loro capacità. In origine, per svolgere questi compiti venivano utilizzati metodi di "forza bruta" più primitivi e costosi. Ora questi metodi hanno lasciato il posto a diodi più "eleganti" e per usi speciali, fra cui i diodi varicap (o a capacità variabile), PIN, Schottky e Zener.

Ognuno di questi tipi di diodi è stato progettato migliorando alcune caratteristiche specifiche per soddisfare applicazioni di nicchia con progetti basati su diodi a basso costo. In queste applicazioni, questi diodi per usi speciali consentono di ridurre le dimensioni, i costi e l'inefficienza delle soluzioni più convenzionali. Vengono tipicamente impiegati in alimentatori a commutazione, attenuatori in microonde e RF, sorgenti di segnale RF e transceiver.

Questo articolo si occupa del ruolo e del funzionamento dei diodi per usi speciali. Ne esamina le caratteristiche tipiche utilizzando esempi di Skyworks Solutions e ON Semiconductor e, infine, presenta esempi di circuiti per mostrare come usarli in modo efficace.

Tensioni di riferimento tramite diodo Zener

I diodi Zener sono progettati per mantenere una tensione fissa quando il diodo è polarizzato in modo invertito. Questa capacità viene utilizzata per fornire tensioni di riferimento note che costituiscono una funzione importante degli alimentatori. I diodi Zener sono utilizzati anche per ridurre o limitare le forme d'onda, impedendo che superino i limiti di tensione.

Il diodo Zener è fabbricato utilizzando giunzione p-n altamente drogate, che portano a una regione di svuotamento molto sottile. Il campo elettrico risultante in questa regione è molto alto anche se le tensioni applicate sono basse. In queste condizioni, uno dei due meccanismi provoca il breakdown (tensione di rottura) del diodo, con una conseguente corrente inversa elevata:

  • In una condizione, il breakdown del diodo Zener si verifica a tensioni inferiori a 5 V ed è dovuto al tunneling quantico elettronico.
  • Nella seconda, il breakdown si produce quando le tensioni superano i 5 V ed è il risultato di una rottura a valanga o della ionizzazione da impatto.

In entrambi i casi, il funzionamento del diodo è simile (Figura 1).

Raffigurazione schematica del diodo ZenerFigura 1: Raffigurazione schematica di un diodo Zener e della sua curva caratteristica di corrente-tensione. La corrente-tensione caratteristica di un diodo Zener ha una normale zona di conduzione diretta, ma in caso di polarizzazione inversa subisce il breakdown con una tensione costante attraverso il diodo. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Quando il diodo Zener ha una polarizzazione diretta, si comporta come un diodo standard. In caso di polarizzazione inversa, mostra un breakdown (tensione di rottura) quando il livello di inversione di polarità supera il livello di tensione Zener, VZ. A questo punto, il diodo mantiene una tensione quasi costante tra il catodo e l'anodo. La corrente minima per mantenere il diodo nella regione di breakdown (tensione di rottura) Zener è IZmin; la corrente massima determinata dalla dissipazione di potenza nominale del diodo è IZmax. La corrente deve essere limitata dalla resistenza esterna per evitare surriscaldamento e guasti. Questo viene mostrato nel diagramma schematico di un semplice regolatore di tensione basato su Zener realizzato a partire dallo Zener 1N5229B di ON Semiconductor (Figura 2).

Immagine del diagramma schematico di un semplice regolatore di tensione che utilizza un diodo Zener (fare clic per ingrandire)Figura 2: Diagramma schematico di un semplice regolatore di tensione che utilizza un diodo Zener e della risposta di regolazione del carico. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il diodo Zener 1N5229B ha una dissipazione massima di 500 mW a una tensione di Zener nominale di 4,3 V. Il resistore in serie da 75 Ω (R1) limita la dissipazione di potenza a 455 mW in assenza di carico. La dissipazione di potenza diminuisce con l'aumentare della corrente di carico. Viene mostrata la curva di regolazione del carico per valori di resistenza di carico da 200 Ω a 2.000 Ω.

Oltre alla funzione di regolazione della tensione, i diodi Zener possono essere collegati in opposizione di fase per fornire una limitazione di tensione controllata alla tensione di Zener, più il valore della caduta di tensione diretta. Un limitatore Zener a 4,3 V la limiterebbe a ±5 V. Le applicazioni di limitazione possono essere estese a circuiti di protezione dalle sovratensioni più generali.

Il diodo Schottky

Il diodo Schottky, o diodo hot-carrier ("portatore di carica caldo"), si basa su una giunzione metallo-semiconduttore (Figura 3). Il lato metallico della giunzione forma l'elettrodo anodico, mentre il lato semiconduttore è il catodo. Quando polarizzato in direzione avanti, la massima caduta di tensione diretta del diodo Schottky è compresa tra 0,2 e 0,5 V, a seconda della corrente diretta e del tipo di diodo. Questa bassa caduta di tensione diretta è estremamente utile quando il diodo Schottky viene utilizzato in serie con una fonte di alimentazione, ad esempio nei circuiti di protezione da tensione inversa, in quanto riduce le perdite di potenza.

Schema della struttura fisica del diodo SchottkyFigura 3: La struttura fisica del diodo Schottky si basa su una giunzione metallo-semiconduttore di tipo N, che produce una bassa caduta di tensione diretta e tempi di commutazione molto rapidi. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

L'altra caratteristica significativa di questi diodi è il loro tempo di commutazione molto rapido. Diversamente dai diodi standard che impiegano un po' di tempo per rimuovere la carica dalla regione di carica spaziale vuota quando passano da una condizione attiva a una non attiva, il diodo Schottky non ha una regione di carica spaziale vuota associata alla giunzione metallo-semiconduttore.

I diodi Schottky hanno valori di tensione inversa di picco limitati rispetto ai diodi a giunzione al silicio. Questo in genere ne limita l'utilizzo agli alimentatori a commutazione a bassa tensione. 1N5822RLG di ON Semiconductor ha una tensione inversa di picco (PRV) di ben 40 V e una corrente diretta massima di 3 A. Può essere applicato in diverse aree di un alimentatore a commutazione (Figura 4).

Schema delle applicazioni tipiche dei diodi SchottkyFigura 4: Gli esempi di applicazioni tipiche dei diodi Schottky in alimentatori a commutazione includono l'uso per la protezione dall'alimentazione inversa (D1) e la soppressione dei transitori (D2). (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

I diodi Schottky possono essere utilizzati per proteggere i circuiti regolatori dall'applicazione involontaria di polarità inversa all'ingresso. Nell'esempio, il diodo D1 serve a questo scopo. Il vantaggio principale del diodo in questa applicazione è la sua bassa caduta di tensione diretta. Un diodo Schottky, in questo caso D2, ha anche una funzione più importante, ovvero fornire un percorso di ritorno della corrente attraverso l'induttore, L1, quando l'interruttore si spegne. Per svolgere questa funzione, D2 deve essere un diodo veloce collegato con un cablaggio corto e a bassa induttanza. I diodi Schottky offrono le migliori prestazioni in questa applicazione per alimentazioni a bassa tensione.

I diodi Schottky vengono applicati anche in progetti RF dove la loro capacità di commutazione rapida, basse cadute di tensione diretta e bassa capacità elettrica li rendono utili per i rilevatori e gli interruttori sample-and-hold.

Diodi varactor

Il diodo varactor è un diodo a giunzione progettato per fornire capacità variabile, da cui l'altro nome con cui è noto: varicap. La giunzione p-n è a polarizzazione invertita e la capacità del diodo può essere variata cambiando la polarizzazione c.c. applicata (Figura 5).

Schema del diodo varicap che fornisce capacità variabileFigura 5: Il diodo varicap fornisce capacità variabile a seconda della polarizzazione inversa applicata. Più alto è il livello di polarizzazione, più bassa è la capacità. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La capacità del diodo varicap varia inversamente alla polarizzazione c.c. applicata. Maggiore è l'inversione di polarità, più ampia sarà la regione di carica spaziale vuota dei diodi, e quindi minore la capacità. Questa variazione può essere vista nel grafico della capacità rispetto alla tensione inversa per il diodo varicap a giunzione superbrusca SMV1801-079LF di Skyworks Solutions (Figura 6).

Grafico della capacità di un diodo varicap SMV1801-079LF di Skyworks SolutionsFigura 6: Capacità di un diodo varicap SMV1801-079LF di Skyworks Solutions a seconda della tensione di polarizzazione inversa. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Questi diodi offrono un'elevata tensione di rottura, tensioni di polarizzazione fino a 28 V e possono essere applicati su un ampio intervallo di regolazione. La tensione di comando deve essere applicata al diodo varicap in modo da non disturbare la polarizzazione dello stadio successivo; di solito è accoppiato capacitivamente come mostrato nella Figura 7.

Schema di un oscillatore regolato dal diodo varicap accoppiato in c.a.Figura 7: Un oscillatore regolato dal diodo varicap accoppia in c.a. il diodo varicap, D1, all'oscillatore tramite il condensatore C1. La tensione di comando viene applicata attraverso il resistore R1. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il diodo varicap è accoppiato in c.a. al circuito risonante dell'oscillatore tramite un condensatore di grandi dimensioni, C1. Questo isola il diodo varicap, D1, dalle tensioni di polarizzazione dei transistor e viceversa. La tensione di comando viene applicata attraverso il resistore di isolamento, R1.

I diodi varicap possono sostituire i condensatori variabili in altre applicazioni, come i filtri RF o microonde di regolazione, i modulatori di frequenza o di fase, i variatori di fase o i moltiplicatori di frequenza.

Diodi PIN

Il diodo PIN viene utilizzato come interruttore o attenuatore alle frequenze RF e microonde. È realizzato inserendo uno strato semiconduttore intrinseco ad alta resistività tra gli strati tipo P e tipo N di un diodo convenzionale; da qui il nome PIN, che rispecchia la struttura del diodo (Figura 8).

Il diodo non polarizzato o polarizzato inverso non ha alcuna carica immagazzinata nello strato intrinseco. Questa è la condizione off delle applicazioni di commutazione. L'inserimento dello strato intrinseco aumenta la larghezza effettiva della regione di carica spaziale vuota del diodo, il che porta a una capacità molto bassa e a tensioni di rottura più elevate.

Schema della struttura di un diodo PINFigura 8: La struttura di un diodo PIN comprende uno strato di materiale semiconduttore intrinseco tra il materiale P e N rispettivamente degli elettrodi anodici e catodici. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La condizione di polarizzazione diretta comporta l'iniezione di vuoti ed elettroni nello strato intrinseco. Questi carrier impiegano un po' di tempo per ricombinarsi fra loro. Questo tempo è detto vita utile del vettore, t. Vi è una carica media immagazzinata che abbassa la resistenza effettiva dello strato intrinseco a una resistenza minima, RS. Nella condizione polarizzata diretta, il diodo viene utilizzato come attenuatore RF.

L'array di diodi PIN SMP1307-027LF di Skyworks Solutions combina quattro diodi PIN in un contenitore comune per l'uso come attenuatore in RF/microonde nel campo di frequenza da 5 MHz a 2 GHz (Figura 9).

Schema dell'array di diodi PIN SMP1307-027LF di Skyworks SolutionsFigura 9: Circuito attenuatore di un diodo PIN basato sull'array di diodi PIN SMP1307-027LF di Skyworks Solutions. Il grafico mostra l'attenuazione rispetto alla frequenza con la tensione di comando come parametro. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

L'array di diodi PIN è progettato per attenuatori in configurazione Pi e Tee a bassa distorsione. La resistenza effettiva, RS, è di 100 Ω max a 1 mA e di 10 Ω a 10 mA, sulla base di una vita utile del carrier di 1,5 µs. È destinato ad applicazioni di distribuzione dei segnali TV.

Conclusione

Questi diodi per usi speciali sono diventati il punto di forza della progettazione di circuiti elettronici, in quanto sono una soluzione elegante per funzioni chiave che in passato venivano svolte con una tecnologia ora obsoleta. I diodi Zener consentono riferimenti di bassa tensione; i diodi Schottky riducono le perdite di potenza e consentono una commutazione rapida; i diodi varicap consentono la regolazione elettronica e sostituiscono gli ingombranti condensatori variabili meccanici; i diodi PIN sostituiscono gli interruttori RF elettromeccanici con commutazione RF a intervento rapido.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Art Pini

Arthur (Art) Pini è un autore che contribuisce ai contenuti di Digi-Key Electronics. Art ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso il City College di New York e un master in ingegneria elettrotecnica presso la City University di New York. Ha oltre 50 anni di esperienza nell'elettronica e ha lavorato in ruoli chiave di ingegneria e marketing presso Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek e Nicolet Scientific. È interessato nella tecnologia di misurazione e ha una vasta esperienza con oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di forme d'onda arbitrarie, digitalizzatori e contatori.

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