Geavanceerde diodetechnologieën verkennen: varicaps, PINs, IMPATT, Gunn en meer

Varicap of varactor diodes

Varicap-diodes, ook varactors genoemd, zijn achterwaarts-gebiaiseerde knooppunten wier depletiebreedte—en dus capaciteit—varieert met de toegepaste spanning. Het effect is bij varicaps uitgesproken, wat nauwkeurige afstemming van resonantieschakelingen toestaat. Het onderstaande schema toont een gemeenschappelijke-kathode dual-diode verpakking.

In een resonant netwerk verandert de capaciteit van een varicap de frequentie van de schakeling in reactie op een besturingsspanning (V_control). Een seriecondensator met een grote waarde houdt de besturingsspanning ervan de spoel te bekortsluiten, wat de resonante frequentie behoudt terwijl nog fijn afstellen toestaat. Meer over varicap afstemming in AM-radio ontvangers, zie het hoofdstuk "Elektronische Varicap Diode Afstemming".

Varicaps komen in verschillende typen—abrupt, hyperabrupt en super-hyperabrupt—elk biedt een progressief groter capaciteitsswing. Typische verhoudingen zijn 4:1 voor abrupt, 10:1 voor hyperabrupt, en 20:1 voor super-hyperabrupt. Deze wijdbereik variaties maken ze ideaal voor oscillatoren en filters die over grote frequentiebereiken kwijnen. Varactors vinden ook toepassing in frequentievermenigvuldiger schakelingen; zie "Praktische Analog Halfgeleider Schakelingen" voor een gedetailleerd voorbeeld.

Snap diode (stap-herstel diode)

De snap, of stap-herstel diode, excelleert in hoge-verhouding frequentievermenigvuldiging tot 20 GHz. Tijdens voorwaartse bias accumuleert lading in het PN-knooppunt. Bij omgekeerde bias wordt de opgeslagen lading vrijgegeven, wat ervoor zorgt dat de diode zich gedraagt als een lage-impedantie stroom bron tot de lading uitgeput is. Op dat moment "snap" het abrupt naar een hoge-impedantie toestand, wat een scherpe spanningsimpuls rijk aan harmonischen genereert. Dit maakt snap-diodes ideaal voor kamgeneratoren en matige-vermogen 2× of 4× vermenigvuldigers.

PIN-diodes

PIN-diodes zijn snelle, lage-capaciteit schakelapparaten. Ze verschillen van PIN-fotodiodes doordat ze ontworpen zijn voor hoogvermogen RF-schakeling. De intrinsieke regio tussen de P en N lagen creëert een wijd depletiegebied, wat resulteert in verminderde omgekeerde-bias capaciteit vergeleken met conventionele schakeldiodes.

Typische toepassingen omvatten T/R schakelaars in radarsystemen en antenneschakelaars voor richtingsvindende ontvangers. Bepaalde algemeen-doel vermogendiodes, zoals de 1N4007, kunnen functioneren als PIN-schakeldiodes dankzij hun intrinsieke laag. PIN-diodes fungeren ook als spanning-gecontroleerde weerstanden in variabele dempers, wat plat-respons prestaties in het microgolfband uitstrekt.

IMPATT diode

De IMPATT (Impact Avalanche Transit-Time) diode is een hoogvermogen RF-generator werkend van 3 GHz tot 100 GHz. Het is gefabriceerd uit silicium, galliumarsenide of siliciumcarbide. Omgekeerd-gebiaiseerd boven zijn doorbraakspanning, versnelt het dunne depletiegebied ladragers, wat een laawine triggert die een negatieve-weerstand effect produceert. Wanneer gekoppeld aan een resonantieschakeling, drijft deze negatieve weerstand oscillaties aan hoge vermogensniveaus.

In praktische ontwerpen voorziet een bias tee in DC omgekeerde bias terwijl RF-signalen geïsoleerd blijven. Laagvermogen radarzenders gebruiken soms IMPATT-diodes, hoewel hun hoge ruis ze ongeschikt maakt voor ontvanger front-ends.

Gunn diode

Een Gunn-diode bestaat uitsluitend uit N-type halfgeleidermateriaal, typisch galliumarsenide. Wanneer een voldoende spanning wordt toegepast, overdragen elektronen van een laag-energie geleidingsband naar een hogere-energie band, wat een negatieve differentiële weerstand creëert die oscillaties ondersteunt. De oscillatiefrequentie hangt af van de doorlooptijd van elektronen door het licht gedopte N-laag, wat omgekeerd evenredig is met de dikte van de laag.

Gunn-diodes zijn beschikbaar voor werking van 10 GHz tot 200 GHz, leverend 5 mW tot 65 mW vermogen. Wanneer geïntegreerd in een resonantieschakeling, kunnen ze ook functioneren als compacte versterkers.

Shockley diode

De Shockley-diode is een vierlagen thyristor die grotere thyristors triggert wanneer de toegepaste spanning de doorbraakspanning overschrijdt (≈20 V). Het geleidt in één richting alleen. De bidirectionele tegenhanger is de DIAC.

Constant-stroom diodes

Een constant-stroom diode (ook wel stroombegrenzende of stroomregelende diode genoemd) gedraagt zich als een tweeterminale JFET. Het handhaaft een vaste maximumstroom ongeacht spanningsvariaties. Als de voedingsspanning stijgt, verhoogt de diode zijn spanningsval om de stroom op zijn regelniveau te houden.

Deze apparaten worden frequent gebruikt om LEDs en laserdiodes te beschermen tegen stroomgolven over een wijd bereik van voedingsspanningen. Juiste selectie van het regelniveau is kritiek, vooral voor laserdiodes die minder tolerant zijn voor voorwaartse stroomvariaties.

SiC diodes

Siliciumcarbide (SiC) diodes kunnen opereren bij temperaturen tot 400 °C, wat ze geschikt maakt voor harde omgevingen zoals diepte-boring olielogging, gasturbine motoren en auto-aandrijvingen. SiC's stralingshardheid—100× groter dan silicium—maakt het aantrekkelijk voor kern- en ruimte-toepassingen. Bovendien stelt SiC's superieure thermische geleiding efficiënte warmteafvoer toe, terwijl de hoge doorbraakspanning (diverse kilovolts) compacte, hoogvermogen ontwerpen mogelijk maakt. Industriële prognoses suggereren dat SiC-vermogensapparaten elektrische energieverliezen in het energienet met tot 100% kunnen verminderen.

Polymeer diodes

Organische polymeer diodes, gefabriceerd bij lage temperaturen, maken inkjet-geprinte elektronische componenten mogelijk. Hoewel het meeste onderzoek zich richt op organische licht-emitterende diodes (OLEDs), is er vooruitgang in printbare RFID-tags en hoge-frequentie gelijkrichters. Een pentaceen-gebaseerde gelijkrichter heeft werking op 50 MHz bereikt, met een doel van 800 MHz. Recente ontwikkelingen omvatten een metaal-isolator-metaal (MIM) diode die functioneert als een rug-aan-rug Zener klemmer en een tunnel-diode-achtig apparaat, beide veelbelovend voor flexibele, laag-kost elektronica.