Диоды с барьером Шоттки - это полупроводниковые диоды, разработанные с минимальным прямым напряжением и высокой скоростью переключения, которая может составлять всего 10 нс. Они производятся в диапазонах тока от 500 мА до 5 ампер и до 40 В. Благодаря этим характеристикам они особенно подходят для низковольтных и высокочастотных приложений, таких как SMPS, а также в качестве эффективных диодов с обратным ходом.
Символ устройства показан на следующем рисунке:
Учтивость: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode
Внутренняя конструкция
Диоды Шоттки устроены иначе, чем традиционные диоды с p-n переходом. Вместо p-n перехода они построены с использованием металл-полупроводниковый переход как показано ниже.
Полупроводниковая секция в основном построена из кремния n-типа, а также из множества различных материалов, таких как платина, вольфрам, молибден, хром и т. Д. Диод может иметь различный набор характеристик в зависимости от того, какой материал используется, что позволяет им улучшить скорость переключения, меньшее падение прямого напряжения и т. д.
Как это устроено
В диодах Шоттки электроны становятся основным носителем в полупроводниковом материале, в то время как в металле присутствуют очень маленькие неосновные носители (дырки). Когда два материала связаны, электроны, присутствующие в кремниевом полупроводнике, начинают быстро течь к соединенному металлу, что приводит к массовому переносу основных носителей. Из-за большей кинетической энергии, чем у металла, их обычно называют «горячими носителями».
В диоды с нормальным p-n-переходом неосновные носители вводятся через разные соседние полярности. Тогда как в диодах Шоттки электроны инжектируются через области с одинаковой полярностью.
Массивный приток электронов к металлу вызывает большую потерю носителей для кремниевого материала в области, близкой к поверхности перехода, которая напоминает область обеднения p-n-перехода других диодов. Дополнительные носители в металле создают в металле «отрицательную стенку» между металлом и полупроводником, которая блокирует дальнейшее проникновение тока. Это означает, что отрицательно заряженные электроны в кремниевом полупроводнике внутри диодов Шоттки способствуют образованию области без носителей наряду с отрицательной стенкой на поверхности металла.
Ссылаясь на рисунок, показанный ниже, приложение прямого тока смещения в первом квадранте вызывает уменьшение энергии отрицательного барьера из-за положительного притяжения электронов в этой области. Это приводит к обратному потоку электронов в огромных количествах через границу. Величина этих электронов зависит от величины потенциала, применяемого для смещения.
Разница между нормальными диодами и диодами Шоттки
По сравнению с обычными диодами с p-n переходом барьерный переход в диодах Шоттки ниже как в области прямого, так и обратного смещения.
Это позволяет диодам Шоттки значительно улучшить токопроводимость при одинаковом уровне потенциала смещения как в прямом, так и в обратном смещении. Это кажется хорошей особенностью в области прямого смещения, хотя и плохой для области обратного смещения.
Определение общих характеристик полупроводникового диода для областей прямого и обратного смещения представлено уравнением:
я D = Я S ( является кВд / Тк -1)
где Is = обратный ток насыщения
k = 11,600 / η с η = 1 для германиевого материала и η = 2 для кремниевого материала
Это же уравнение описывает экспоненциальный рост тока в диодах Шоттки на следующем рисунке, однако коэффициент η определяется типом конструкции диода.
В области обратного смещения ток Является в основном происходит из-за того, что электроны металла перемещаются в полупроводниковый материал.
Температурные характеристики
Для диодов Шоттки одним из основных аспектов, который постоянно исследуется, является минимизация значительных токов утечки при высоких температурах, превышающих 100 ° C.
Это привело к созданию более совершенных и усовершенствованных устройств, которые могут эффективно работать даже при экстремальных температурах от -65 до + 150 ° C.
При типичных комнатных температурах эта утечка может быть в диапазоне микроампер для маломощных диодов Шоттки и в диапазоне миллиампер для высокомощных устройств.
Однако эти цифры больше по сравнению с обычными p-n диодами при тех же характеристиках мощности. Так же Рейтинг PIV для диодов Шоттки может быть намного меньше, чем у наших традиционных диодов.
Например, обычно устройство на 50 А может иметь рейтинг PIV 50 В, тогда как для обычного диода на 50 А. он может достигать 150 В. Тем не менее, недавние достижения позволили использовать диоды Шоттки с рейтингом PIV более 100 В при аналогичных значениях силы тока.
Из приведенного выше графического представления становится совершенно ясно, что диоды Шоттки обладают почти идеальным набором характеристик, даже лучше, чем кристаллический диод (диод с точечным контактом). Прямое падение диода с точечным контактом обычно ниже, чем у обычных диодов с p-n переходом.
ТН или прямое падение напряжения диода Шоттки в значительной степени определяется металлом внутри. Есть компромисс между влиянием температуры и уровнем VT. Если один из этих параметров увеличивается, другой также увеличивается, снижая уровень эффективности устройства. Кроме того, VT также зависит от диапазона тока, более низкие допустимые значения обеспечивают более низкие значения VT. При приблизительной оценке прямое падение VT может быть практически нулевым для заданных единиц низкого уровня. Для среднего и высокого диапазонов тока значения прямого падения могут составлять около 0,2 В, и это, по-видимому, является прекрасным представительным значением.
На данный момент максимально допустимый диапазон тока диода Шоттки составляет около 75 ампер, хотя в ближайшее время может появиться и до 100 ампер.
Применение диода Шоттки
Основная область применения диодов Шоттки - импульсные источники питания или ИИП, которые предназначены для работы с частотами более 20 кГц.
Как правило, диод Шоттки на 50 А при комнатной температуре может быть рассчитан на прямое напряжение 0,6 В и время восстановления 10 нс, что специально разработано для приложений SMPS. С другой стороны, обычный диод с p-n переходом может демонстрировать прямое падение 1,1 В и время восстановления от 30 до 50 нс при тех же характеристиках тока.
Вы можете обнаружить, что указанная выше разница прямого напряжения довольно мала, однако, если мы посмотрим на уровень рассеиваемой мощности между ними: P (горячая несущая) = 0,6 x 50 = 30 Вт и P (pn) = 1,1 x 50 = 55 Вт, что является довольно ощутимой разницей, которая может серьезно повредить эффективности SMPS.
Хотя в области обратного смещения рассеяние в диоде Шоттки может быть немного выше, тем не менее суммарное рассеяние прямого и обратного смещения будет намного лучше, чем у диода с p-n переходом.
Время обратного восстановления
В обычном полупроводниковом диоде p-n время обратного восстановления (trr) велико из-за введенных неосновных носителей.
В диодах Шоттки из-за чрезвычайно малого количества неосновных носителей время обратного восстановления существенно мало. Вот почему диоды Шоттки могут так эффективно работать даже на частотах 20 ГГц, что требует от устройств переключения с очень высокой скоростью.
Для более высоких частот по-прежнему используются диод с точечным контактом или кристаллический диод из-за их очень маленькой площади перехода или площади точечного перехода.
Эквивалентная схема диодов Шоттки
На следующем рисунке изображена эквивалентная схема диода Шоттки с типичными значениями. Смежный символ - это стандартный символ устройства.
Индуктивность Lp и емкость Cp являются значениями, указанными в самой упаковке, rB представляет собой последовательное сопротивление, состоящее из контактного сопротивления и объемного сопротивления.
Значения сопротивления rd и емкости Cj соответствуют расчетам, приведенным в предыдущих параграфах.
Таблица технических характеристик диода Шоттки
В таблице ниже представлен список выпрямителей с горячим носителем, производимых Motorola Semiconductor Products, а также их характеристики и детали расположения выводов.
Предыдущая: Диодное выпрямление: полуволновое, полноволновое, PIV Далее: Светодиодная цепь заградительного света
