齊納、PIN、肖特基和變容二極體的基礎知識和應用

雖然在多數的電子產品應用中，傳統的矽或鍺二極體都能稱職扮演整流器和切換元件的角色，但有些功能基本上已經超乎其能力所及，例如電子微調、電子衰減、低耗損整流和參考電壓生成等。原本可說是用「蠻力」的方式來完成這些工作，不僅更原始、昂貴且較笨重。如今，有更精巧的特殊用途二極體能取代傳統方法，包括變容管 (或稱可變電容)、PIN、肖特基和齊納二極體。

這些二極體類型的設計能強化二極體的一些獨特特性，以低成本的二極體結構來填補利基應用。比起傳統解決方案，在這些應用中使用特殊用途二極體即可縮小尺寸、降低成本並增進效率。典型的用途包括切換式電源供應器、微波與 RF 衰減器、RF 訊號來源和收發器。

本文將探討特殊用途二極體的角色與運作，接著會以 Skyworks Solutions 和 ON Semiconductor 的產品為例，探討這種二極體的典型特性。最後會透過電路範例，說明如何有效地使用這些元件。

齊納二極體參考電壓

齊納二極體能在受到逆向偏壓時，讓整個二極體維持固定的電壓。此功能可用於提供已知的參考電壓，這是電源供應器中相當重要的工作。齊納二極體也會用於波形的削波或限幅，避免波形超出電壓限制。

齊納二極體是以高摻雜性的 P-N 接面製成，因此具有非常薄的空乏層。此區域產生的電場非常高，即使只施加低電壓也是一樣。在此情況下，有兩個機制會導致二極體崩潰，產生高逆電流：

• 一種是當電壓低於 5 V 時，會因為電子量子穿隧效應而發生齊納崩潰
• 第二個崩潰機制是，當電壓高於 5 V 時，會因為突崩潰或衝擊電離的關係而發生崩潰

無論是哪一種機制，二極體的運作方式大同小異 (圖 1)。

圖 1：圖中顯示齊納二極體的線路圖符號，以及其電流對電壓特性曲線。齊納二極體的電流對電壓特性雖然具有正常正向傳導區，但受到逆向偏壓時，則會發生崩潰，同時二極體維持恆定電壓。(圖片來源：DigiKey)

齊納二極體受到順向偏壓時，運作行為就和標準二極體一樣。在逆向偏壓下，當逆向偏壓位準超過齊納電壓位準 V_Z 時，便會發生崩潰。此時，二極體會在陽極和陰極間維持近乎恆定的電壓。若要二極體維持在齊納崩潰區，所需的最小電流是 I_Zmin；最大電流 I_Zmax，會由二極體額定功率耗散決定。電流必須用外部電阻來加以限制，以免過熱與故障。這顯示於圖 2 的穩壓器線路圖中，該穩壓器是一種基本的齊納型穩壓器，以 ON Semiconductor 的 1N5229B 齊納二極體為基礎打造。

圖 2：此為穩壓器線路圖，該穩壓器是使用齊納二極體和負載調節響應的基本穩壓器。(圖片來源：DigiKey)

在 4.3 V 標稱齊納電壓下，1N5229B 齊納二極體的最大耗散量為 500 mW。75 Ω 串聯電阻 (R1) 會將功率耗散量限制在 455 mW (無負載)。功率耗散會隨著負載電流增加而下降。圖中顯示負載電阻值為 200 Ω 至 2,000 Ω 時的負載調節曲線。

除了穩壓之外，齊納二極體也可以背對背接線，以提供限制為齊納電壓的受控電壓，以及順向電壓壓降值。4.3 V 齊納限制器會限制在 ±5 V。限制應用可以延伸到更廣泛的過電壓保護電路。

肖特基二極體

肖特基二極體又稱為熱載體二極體，是以金屬對半導體接面為基礎 (圖 3)。接面的金屬面形成陽極電極，半導體面則是陰極。順向偏壓時，肖特基二極體的最大順向電壓壓降範圍是 0.2 至 0.5 V，視順向電流和二極體類型而定。這麼低的順向電壓壓降，在肖特基二極體與電源串聯時 (例如在逆向電壓保護電路中) 非常有用，因為能減少功率損耗。

圖 3：肖特基二極體的實體結構，是以金屬對 N 型半導體接面為基礎，能產生低順向電壓壓降以及超快的切換速度。(圖片來源：DigiKey)

此二極體的另一個顯著特性是切換速度非常快。標準二極體從開啟切換至關閉狀態時，需要花時間清除空乏層的電荷，但肖特基二極體沒有與金屬對半導體接面相關的空乏層。

相較於矽接面二極體，肖特基二極體的峰值逆向電壓額定值受到限制。因此通常用途會受限於低電壓切換式電源供應器。ON Semiconductor 的 1N5822RLG 具有不錯的 40 V 峰值逆向電壓 (PRV) 額定值，以及 3 A 最大順向電流，因此能用在切換式電源供應器的多個層面 (圖 4)。

圖 4：對於切換式電源供應器，肖特基二極體在切換式電源供應器中的典型應用範例包括用於逆向功率保護 (D1) 和暫態抑制 (D2)。(圖片來源：DigiKey)

肖特基二極體能用來保護穩壓器電路，避免在輸入端不慎施加反轉極性。D1 二極體即可滿足範例中的用途。在此應用中，二極體的主要優點是具有低順向電壓壓降。肖特基二極體在此 D2 範例中有個更重要的功能，就是在開關關閉時提供返回路徑，讓電流通過電感 L₁。D2 必須是快速二極體，並用低電感值的短接線連接，才能達到此功能。肖特基二極體可在此應用中為低電壓供應器提供最佳效能。

肖特基二極體也可用於 RF 設計中，具有快速切換性、低順向電壓壓降和低電容量，因此在偵測器和取樣保持開關中很有用。

變容二極體

變容二極體是一種能提供可變電容量的接面二極體。P-N 接面受到逆向偏壓，只要改變施加的 DC 偏壓就能改變此二極體的電容量 (圖 5)。

圖 5：變容二極體能根據施加的逆向偏壓提供可變電容量。偏壓位準越高，電容量越低。(圖片來源：DigiKey)

變容管的電容量會隨施加的 DC 偏壓而逆向變化。逆向偏壓越高，二極體空乏區越寬，電容量也越低。在 Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 超突變接面變容二極體的電容量與逆向電壓圖中，能以圖面方式看到這種變化 (圖 6)。

圖 6：Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 變容管的電容量會隨著逆向偏壓而變化。(圖片來源：Skyworks Solutions)

這些二極體提供高崩潰電壓和高達 28 V 的偏壓，並能應用在寬廣的微調範圍上。在變容管上必須施加控制電壓，避免擾亂下一級的偏壓；通常會進行電容耦合，如圖 7 所示。

圖 7：變容管調諧式振盪器會透過電容 C1，將變容管 D1 進行 AC 耦合至振盪器。控制電壓會透過電阻 R1 來施加。(圖片來源：DigiKey)

變容管透過大電容 C1，進行 AC 耦合至振盪器諧振電路。如此能將變容管 D1 與電晶體偏壓隔離，反之亦然。控制電壓會透過隔離電阻 R1 來施加。

變容管能在其他應用中取代可變電容，例如在微調 RF 或微波濾波器、頻率或相位調變器、移相器，或是頻率倍增器中。

PIN 二極體

PIN 二極體本身可當作 RF 和微波頻率的開關或衰減器。其形成方法是，在傳統二極體的 P 型和 N 型層之間堆疊高電阻率的本質半導體層；PIN 的名稱也是由此而來，反映出該二極體的結構 (圖 8)。

在無偏壓或逆向偏壓二極體的本質層中，並未儲存電荷。這是切換應用處於關閉的狀況。插入本質層會增加二極體空乏層的有效寬度，藉此達到超低的電容量和更高的崩潰電壓。

圖 8：PIN 二極體結構中，陽極與陰極電極個別的 P 和 N 材料間皆有一層本質半導體材料。(圖片來源：DigiKey)

順向偏壓情況會導致電洞，而將電子注入到本質層內。這些載體需要一些時間重新相互結合。這段時間稱為載體使用壽命 (t)。平均儲存電荷會將本質層的有效電阻降低至最小電阻 (R_S)。在順向偏壓情況下，二極體會當作 RF 衰減器使用。

Skyworks Solutions 的 SMP1307-027LF PIN 二極體陣列，將四個 PIN 二極體併入一個通用封裝中，以在頻率範圍 5 MHz 至 2 GHz 中作為 RF／微波衰減器使用 (圖 9)。

圖 9：以 Skyworks Solutions 的 SMP1307-027LF PIN 二極體陣列為基礎的 PIN 二極體衰減器電路。圖中顯示衰減與頻率之間的關係，並以控制電壓做為參數。(圖片來源：Skyworks Solutions)

PIN 二極體陣列是針對低失真 Pi 和 T 型配置衰減器而設計。基於 1.5 µs 載體使用壽命，有效電阻 R_S 在 1 mA 時最大為 100 Ω，10 mA 時最大為 10 Ω。其主要用於電視訊號分配應用。

結論

這些特殊用途的二極體，已成為電子電路設計中的支柱，能以優異方式提供關鍵功能解決方案，而不必再用過時的技術來完成這些功能。齊納二極體能達到低參考電壓；肖特基二極體能降低功率損耗，並提供快速切換能力；變容二極體能達到電子微調，並取代笨重的機械可變電容；PIN 二極體則提供快速作用的 RF 切換能力，可取代機電式 RF 開關。