Fundamentos e aplicações dos diodos Zener, PIN, Schottky e Varactor

Embora os diodos convencionais de silício ou germânio funcionem bem como retificadores e elementos de comutação na maioria das aplicações eletrônicas, funções como sintonia eletrônica, atenuação eletrônica, retificação de baixa perda e geração de referência de tensão estão, em sua maioria, além de sua capacidade. Originalmente, métodos de "força bruta" mais primitivos, caros e em massa eram usados para realizar essas tarefas. Esses métodos deram lugar a diodos para fins especiais mais elegantes, incluindo diodos varactor (ou de capacitância variável), PIN, Schottky e Zener.

Cada um desses tipos de diodo foi projetado com o aprimoramento de algumas características exclusivas dos diodos para atender a aplicações de nicho com estruturas de diodo de baixo custo. O uso desses diodos para fins especiais reduz o tamanho, o custo e a ineficiência de soluções mais convencionais nessas aplicações. Os usos típicos incluem fontes de alimentação chaveadas, atenuadores de micro-ondas e RF, fontes de sinal de RF e transceptores.

Este artigo discute a função e a operação de diodos para fins especiais. Em seguida, ele analisa suas características típicas usando exemplos da Skyworks Solutions e da ON Semiconductor, antes de terminar com exemplos de circuitos que mostram como usá-los de forma eficaz.

Referência de tensão do diodo Zener

Os diodos Zener são projetados para manter uma tensão fixa no diodo quando ele é polarizado de forma inversa. Esse recurso é usado para fornecer tensões de referência conhecidas, uma operação importante em fontes de alimentação. Os diodos Zener também são usados para ceifar ou limitar as formas de onda, evitando que elas ultrapassem os limites de tensão.

O diodo Zener é fabricado usando junções p-n altamente dopadas, resultando em uma camada de depleção muito fina. O campo elétrico resultante nessa região é muito alto, mesmo com baixas tensões aplicadas. Nessas condições, um dos dois mecanismos resulta em uma ruptura do diodo, resultando em uma alta corrente reversa:

• Em uma condição, a ruptura do Zener ocorre em tensões inferiores a 5 volts e é resultado do tunelamento quântico de elétrons
• O segundo mecanismo de ruptura ocorre quando as tensões são superiores a 5 volts; a ruptura é resultado da ruptura por avalanche ou da ionização por impacto

Em ambos os casos, a operação do diodo é semelhante (Figura 1).

Figura 1: O símbolo esquemático de um diodo Zener é mostrado, juntamente com sua curva característica de corrente e tensão. A característica de tensão-corrente de um diodo Zener tem uma zona de condução direta normal, mas, quando polarizado reversamente, ele se rompe com uma tensão constante no diodo. (Fonte da imagem: DigiKey)

Quando o diodo Zener é polarizado diretamente, ele se comporta como um diodo padrão. Sob polarização reversa, ele apresenta uma ruptura quando o nível de polarização reversa excede o nível de tensão Zener, V_Z. Nesse ponto, o diodo mantém uma tensão quase constante entre o catodo e o anodo. A corrente mínima para manter o diodo na região de ruptura Zener é I_Zmin; a corrente máxima determinada pela dissipação de potência nominal do diodo é I_Zmax. A corrente deve ser limitada pela resistência externa para evitar superaquecimento e falha. Isso é mostrado no diagrama esquemático de um regulador de tensão básico baseado em Zener, construído com o Zener 1N5229B da ON Semiconductor (Figura 2).

Figura 2: O diagrama esquemático de um regulador de tensão básico usando um diodo Zener, juntamente com a resposta de regulagem da carga. (Fonte da imagem: DigiKey)

O diodo Zener 1N5229B tem uma dissipação máxima de 500 miliwatts (mW) em uma tensão Zener nominal de 4,3 volts. O resistor em série de 75 ohm (Ω) (R1) limita a dissipação de potência a 455 mW sem carga. A dissipação de potência diminui com o aumento da corrente de carga. A curva de regulagem da carga é mostrada para valores de resistência de carga de 200 Ω a 2.000 Ω.

Além da regulagem de tensão, os diodos Zener podem ser conectados de costas para o outro para fornecer limitação de tensão controlada na tensão Zener, mais o valor da queda de tensão direta. Um limitador Zener de 4,3 volts limitaria a ±5 volts. As aplicações de limitação podem ser estendidas a circuitos de proteção contra sobretensão mais gerais.

O diodo Schottky

O diodo Schottky, ou diodo de portador quente, é baseado em uma junção de metal com semicondutor (Figura 3). O lado metálico da junção forma o eletrodo do ânodo e o lado semicondutor é o cátodo. Quando polarizado no sentido direto, a queda máxima de tensão direta do diodo Schottky está na faixa de 0,2 a 0,5 volts, dependendo da corrente direta e do tipo de diodo. Essa baixa queda de tensão direta é extremamente útil quando o diodo Schottky é usado em série com uma fonte de alimentação, como em circuitos de proteção contra tensão reversa, pois reduz as perdas de potência.

Figura 3: A estrutura física do diodo Schottky é baseada em uma junção de metal com semicondutor do tipo N, produzindo uma baixa queda de tensão direta e tempos de comutação muito rápidos. (Fonte da imagem: DigiKey)

A outra característica importante desses diodos é seu tempo de comutação muito rápido. Diferentemente dos diodos padrões, que levam tempo para remover a carga da camada de depleção ao passar da condição de ligado para desligado, o diodo Schottky não tem camada de depleção associada à junção metal-semicondutor.

Os diodos Schottky têm dimensionamentos limitados de tensão reversa de pico em comparação com os diodos de junção de silício. Isso geralmente limita seu uso a fontes de alimentação chaveadas de baixa tensão. O 1N5822RLG da ON Semiconductor tem um dimensionamento respeitável de tensão reversa de pico (PRV) de 40 volts e uma corrente direta máxima de 3 A. Ele pode ser aplicado em várias áreas de uma fonte de alimentação chaveada (Figura 4).

Figura 4: Exemplos de aplicações típicas de diodos Schottky em fontes de alimentação chaveadas incluem seu uso para proteção contra alimentação reversa (D1) e supressão de transientes (D2). (Fonte da imagem: DigiKey)

Os diodos Schottky podem ser usados para proteger os circuitos reguladores contra a aplicação inadvertida de polaridade invertida na entrada. O diodo D1 serve a esse propósito no exemplo. A principal vantagem do diodo nessa aplicação é sua baixa queda de tensão direta. Uma função mais importante para um diodo Schottky - nesse caso, D2 - é fornecer um caminho de retorno para a corrente através do indutor, L₁, quando a chave é desligada. D2 deve ser um diodo rápido conectado com uma fiação curta e de baixa indutância para realizar essa função. Os diodos Schottky oferecem o melhor desempenho nessa aplicação para fontes de alimentação de baixa tensão.

Os diodos Schottky também encontram aplicações em projetos de RF, onde sua comutação rápida, baixas quedas de tensão direta e baixa capacitância os tornam úteis para detectores e comutadores de amostragem e retenção.

Diodos varactor

O diodo varactor, às vezes chamado de diodo varicap, é um diodo de junção projetado para fornecer capacitância variável. A junção P-N tem polarização reversa, e a capacitância do diodo pode variar com a alteração da polarização CC aplicada (Figura 5).

Figura 5: O diodo varactor fornece capacitância variável dependendo da polarização reversa aplicada. Quanto maior o nível de polarização, menor a capacitância. (Fonte da imagem: DigiKey)

A capacitância do varactor varia inversamente com a polarização de CC aplicada. Quanto maior for a polarização reversa, mais ampla será a região de depleção do diodo e, portanto, menor será a capacitância. Essa variação pode ser vista graficamente no gráfico de capacitância vs. tensão reversa do diodo varactor de junção hiperabrupta SMV1801-079LF da Skyworks Solutions (Figura 6).

Figura 6: A capacitância de um varactor SMV1801-079LF da Skyworks Solutions em função da tensão de polarização reversa. (Fonte da imagem: Skyworks Solutions)

Esses diodos oferecem alta tensão de ruptura, tensões de polarização de até 28 volts e podem ser aplicados em uma ampla faixa de sintonia. A tensão de controle deve ser aplicada ao varactor de modo a não perturbar a polarização do estágio seguinte; geralmente, ela é acoplada capacitivamente, conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7: Um oscilador sintonizado por varactor com acoplamento CA do varactor, D1, ao oscilador por meio do capacitor C1. A tensão de controle é aplicada por meio do resistor R1. (Fonte da imagem: DigiKey)

O varactor é acoplado em CA ao circuito do tanque do oscilador por meio de um grande capacitor, C1. Isso isola o varactor, D1, das tensões de polarização do transistor e vice-versa. A tensão de controle é aplicada por meio do resistor de isolação, R1.

Os varactores podem substituir os capacitores variáveis em outras aplicações, como na sintonia de filtros de RF ou de micro-ondas, em moduladores de frequência ou de fase, em deslocadores de fase ou em multiplicadores de frequência.

Diodos PIN

O diodo PIN é usado como chave ou atenuador em frequências de RF e micro-ondas. Ele é formado por um sanduíche de uma camada semicondutora intrínseca de alta resistividade entre as camadas tipo P e tipo N de um diodo convencional; daí o nome PIN, que reflete a estrutura do diodo (Figura 8).

O diodo sem polarização ou com polarização reversa não tem carga armazenada na camada intrínseca. Essa é a condição de desligamento nas aplicações de comutação. A inserção da camada intrínseca aumenta a largura efetiva da camada de depleção do diodo, resultando em uma capacitância muito baixa e em tensões de ruptura mais altas.

Figura 8: A estrutura de um diodo PIN inclui uma camada de material semicondutor intrínseco entre os materiais P e N dos eletrodos do anodo e do catodo, respectivamente. (Fonte da imagem: DigiKey)

A condição de polarização direta resulta na injeção de lacunas e elétrons na camada intrínseca. Esses portadores levam algum tempo para se recombinarem uns com os outros. Esse tempo é chamado de vida útil do portador, t. Há uma carga média armazenada que reduz a resistência efetiva da camada intrínseca a uma resistência mínima, R_S. Na condição de polarização direta, o diodo é usado como um atenuador de RF.

A cascata de diodos PIN SMP1307-027LF da Skyworks Solutions combina quatro diodos PIN em um invólucro comum para uso como atenuador de RF/micro-ondas na faixa de frequência de 5 megahertz (MHz) a 2 gigahertz (GHz) (Figura 9).

Figura 9: Um circuito atenuador de diodo PIN baseado na cascata de diodos PIN SMP1307-027LF da Skyworks Solutions. O gráfico mostra a atenuação em relação à frequência com a tensão de controle como parâmetro. (Fonte da imagem: Skyworks Solutions)

A cascata de diodos PIN foi projetada para atenuadores de configuração Pi e T de baixa distorção. A resistência efetiva, R_S, é de no máximo 100 Ω a 1 mA e 10 Ω a 10 mA, com base em uma vida útil do portador de 1,5 microssegundos (µs). Destina-se a aplicações de distribuição de sinais de TV.

Conclusão

Esses diodos para fins especiais se tornaram os pilares dos projetos de circuitos eletrônicos, fornecendo uma solução elegante para funções importantes que antes eram realizadas com tecnologia obsoleta. Os diodos Zener permitem referências de baixa tensão; os diodos Schottky reduzem as perdas de potência e proporcionam comutação rápida; os diodos varactor permitem a sintonia eletrônica e substituem os capacitores variáveis mecânicos volumosos; e os diodos PIN substituem os interruptores de RF eletromecânicos com comutação de RF de ação rápida.