דיודות שוטקי - עבודה, מאפיינים, יישום

דיודות מחסום שוטקי הן דיודות מוליכים למחצה שתוכננו במתח קדימה מינימלי ומהירויות מיתוג מהירות שעשויות להיות נמוכות מ -10 ns. אלה מיוצרים בטווחי זרם של 500 mA עד 5 אמפר ועד 40 V. בגלל תכונות אלה הם מתאימים במיוחד ביישומים במתח נמוך, בתדרים גבוהים כמו ב- SMPS, וגם כדיודות יעילות עם גלגל חופשי.

סמל ההתקן מוצג בתמונה הבאה:

דרך ארץ: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode

בנייה פנימית

דיודות שוטקי בנויות אחרת בהשוואה לדיודות צומת ה- p-n המסורתיות. במקום צומת p-n הם בנויים באמצעות a צומת מוליכים למחצה מתכתיים כפי שמוצג מטה.

קטע המוליכים למחצה בנוי בעיקר באמצעות סיליקון מסוג n, וגם עם הרבה חומרים שונים כמו פלטינה, טונגסטן, מוליבדן, כרום וכו '. הדיודה עשויה להיות בעלת מאפיינים שונים בהתאם לחומר המשמש, מה שמאפשר לשפר אותם מהירות מיתוג, ירידת מתח קדימה נמוכה יותר וכו '.

איך זה עובד

בדיודות שוטקי האלקטרונים הופכים לנשא הרוב בחומר המוליך למחצה, בעוד שבמתכת מוצגים נושאי מיעוט (חורים) קטנים במיוחד. כאשר שני החומרים מקושרים, האלקטרונים הנמצאים במוליך למחצה הסיליקוני מתחילים לזרום במהירות לעבר המתכת המחוברת, וכתוצאה מכך העברת מסיבי של נושאות רוב. בשל האנרגיה הקינטית המוגברת שלהם מאשר המתכת, הם מכונים באופן כללי 'נשאים חמים'.

דיודות צומת ה- p-n הרגילות שמובילי המיעוט מוזרקות על פני קוטביות סמוכות שונות. ואילו בדיודות שוטקי מוזרקים אלקטרונים על פני אזורים עם קוטביות זהה.

זרם אלקטרונים מאסיבי לעבר המתכת גורם לאובדן כבד של מובילים לחומר הסיליקון באזור הקרוב למשטח הצומת, הדומה לאזור הדלדול של צומת ה- pn של דיודות אחרות. המובילים הנוספים במתכת יוצרים 'קיר שלילי' במתכת בין המתכת למוליך למחצה החוסם כניסה נוספת של הזרם. המשמעות של האלקטרונים הטעונים שלילית במוליכים למחצה סיליקון בתוך דיודות שוטקי מקלה על אזור חופשי מנשא יחד עם קיר שלילי במשטח המתכת.

בהתייחס לדמות המוצגת להלן, הפעלת זרם הטיה קדימה ברבע הראשון גורמת להפחתת האנרגיה של המחסום השלילי עקב המשיכה החיובית של האלקטרונים באזור זה. זה מוביל לזרימת החזרה של אלקטרונים בכמויות עצומות מעבר לגבול. גודל האלקטרונים הללו תלוי בגודל הפוטנציאל המיושם להטייה.

ההבדל בין דיודות רגילות לדיודות שוטקי

בהשוואה לדיודות צומת p-n רגילות צומת המכשול בדיודות שוטקי נמוכה יותר, הן באזורי הטיה קדימה והן לאחור.

זה מאפשר לדיודות Schottky הולכות זרם משופרות בהרבה לאותה רמה של פוטנציאל הטיה, בכל אזורי הטיה קדימה והפוכה. נראה כי זו תכונה טובה באזור ההטיה קדימה, אם כי גרועה לאזור ההטיה ההפוכה.

הגדרת המאפיינים הכלליים של דיודת מוליכים למחצה לאזורים ההטיה לאחור מיוצגת על ידי המשוואה:

אני _ד = אני _ס (הוא ^{kVd / Tk} -1)

איפה האם = זרם רוויה הפוך
k = 11,600 / η עם η = 1 לחומר גרמניום ו- η = 2 לחומר סיליקון

אותה משוואה מתארת ​​את העלייה האקספוננציאלית בזרם בדיודות שוטקי באיור הבא, אולם הגורם η נקבע על פי סוג הבנייה של הדיודה.

באזור ההטיה ההפוכה, הזרם האם נובע בעיקר מאותם אלקטרוני מתכת הנעים לחומר מוליכים למחצה.

מאפייני טמפרטורה

עבור דיודות שוטקי, אחד ההיבטים העיקריים שנחקרו ברציפות הוא כיצד למזער את זרמי הדליפה המשמעותיים שלה בטמפרטורות גבוהות מעל 100 מעלות צלזיוס.

זה הוביל לייצור מכשירים טובים ומשופרים שיכולים לעבוד ביעילות גם בטמפרטורות קיצוניות שבין - 65 ל + 150 מעלות צלזיוס.

בטמפרטורות החדר האופייניות דליפה זו יכולה להיות בטווח המיקרו-אמפר לדיודות שוטקי בהספק נמוך, ובטווח המיליאמפר למכשירים בעלי הספק גבוה.

עם זאת, נתונים אלה גדולים יותר בהשוואה לדיודות p-n רגילות באותה מפרט הספק. וגם ה דירוג PIV שכן דיודות שוטקי יכולות להיות הרבה פחות מהדיודות המסורתיות שלנו.

לדוגמא, בדרך כלל מכשיר 50 אמפר עשוי להיות בעל דירוג PIV של 50 וולט, ואילו זה עשוי להיות עד 150 וולט לדיודה רגילה של 50 אמפר. עם זאת, ההתקדמות האחרונה אפשרה לדיודות שוטקי עם דירוג PIV מעל 100 וולט בערכי אמפרייה דומים.

מהייצוג הגרפי הנ'ל מתברר למדי שדיודות שוטקי מיוחסות למאפיינים כמעט אידיאליים, אפילו טובים יותר מאשר דיודת קריסטל (דיודת מגע נקודה). הירידה הקדמית של דיודת מגע נקודתית בדרך כלל נמוכה יותר מדיודות צומת p-n רגילות.

ה- VT או ירידת המתח הקדמית של דיודת שוטקי במידה רבה נקבעים על ידי המתכת שבתוכה. יש במקרה פשרה בין השפעת הטמפרטורה לרמת ה- VT. אם אחד מהפרמטרים הללו עולה השני גם מגביר את השפלת רמת היעילות של המכשיר. יתר על כן, ה- VT תלוי גם בטווח הנוכחי, ערכים מותרים נמוכים יותר מבטיחים ערכים נמוכים יותר של VT. ירידת VT קדימה יכולה להיות למעשה לאפס עבור יחידות ברמה נמוכה נתונה, בהערכה משוערת. לטווחי זרם אמצעיים וגבוהים, ערכי הצניחה קדימה יכולים להיות סביב 0.2 וולט, ונראה שזה ערך מייצג משובח.

כרגע טווח הזרם המרבי הזמין של שוטקי דיוק הוא סביב 75 אמפר, אם כי עד 100 אמפר עשוי להיות בקרוב גם באופק.

יישום דיודות שוטקי

אזור היישומים העיקרי של דיודות שוטקי הוא החלפת ספקי כוח או SMPS, שנועדו לעבוד עם תדרים מעל 20 קילוהרץ.

בדרך כלל, דיודת 50 אמפר שוטקי בטמפרטורת החדר עשויה להיות מדורגת עם מתח קדימה של 0.6 וולט וזמן התאוששות של 10 ns, שתוכנן במיוחד ליישום SMPS. מצד שני דיודת צומת p-n רגילה עשויה להציג ירידה קדימה של 1.1 וולט וכיפת התאוששות בסביבות 30 עד 50 ננו, באותו מפרט הנוכחי.

יתכן שהפרש המתח הקדמי הנ'ל יהיה די קטן, אולם אם נסתכל על רמת פיזור הכוח בין השניים: P (מנשא חם) = 0.6 x 50 = 30 וואט ו- P (pn) = 1.1 x 50 = 55 וואט, שזה הבדל מדיד למדי, שיכול לפגוע ביעילות של ה- SMPS באופן קריטי.

למרות שבאזור ההטיה ההפוכה, הפיזור בדיודת שוטקי עשוי להיות מעט גבוה יותר, אך הפיזור נטו קדימה והטיה לאחור יהיה הרבה יותר טוב מאשר דיודת צומת p-n.

זמן התאוששות הפוך

בדיודות מוליכות למחצה רגילות p-n, זמן ההחלמה ההפוך (trr) גבוה בגלל נושאי המיעוט המוזרקים.

בדיודות שוטקי בגלל נשאות מיעוט נמוכות במיוחד, זמן ההחלמה ההפוך נמוך באופן משמעותי. זו הסיבה שדידות שוטקי מסוגלות לעבוד בצורה יעילה כל כך גם בתדרים של 20 ג'יגה הרץ, הדורשים מההתקנים לעבור במהירות מהירה במיוחד.

בתדרים גבוהים יותר מזה, עדיין משמשים דיודת מגע נקודה או דיודת קריסטל, בגלל אזור הצומת הזעיר מאוד שלהם או אזור הצומת הנקודתי.

מעגל שווה ערך לדיודות שוטקי

האיור הבא מתאר את המעגל המקביל של דיודת שוטקי עם ערכים אופייניים. הסמל הצמוד הוא הסמל הסטנדרטי של המכשיר.

ההשראה Lp והקיבול Cp הם הערכים שצוינו בחבילה עצמה, rB מהווה את התנגדות הסדרה המורכבת מהתנגדות המגע והתנגדות בתפזורת.

הערכים עבור ההתנגדות rd והקיבול Cj הם לפי החישובים שנדונו בפסקאות הקודמות.

תרשים מפרט דיודות שוטקי

התרשים שלהלן מספק לנו רשימה של מיישרים נושאים חמים המיוצרים על ידי Motorola Semiconductor Products, יחד עם המפרט והפרטים שלהם.