Diodele Schottky - Funcționare, caracteristici, aplicație

Diodele de barieră Schottky sunt diode semiconductoare proiectate cu tensiune minimă înainte și viteze de comutare rapide care pot fi de până la 10 ns. Acestea sunt fabricate în domenii de curent de la 500 mA la 5 amperi și până la 40 V. Datorită acestor caracteristici, ele devin adecvate în mod special în aplicații de joasă tensiune, de înaltă frecvență, cum ar fi în SMPS, și, de asemenea, ca diode de rotire liberă eficiente.

Simbolul dispozitivului este afișat în următoarea imagine:

Curtoazie: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode

Construcție internă

Diodele Schottky sunt construite diferit în comparație cu diodele tradiționale de joncțiune p-n. În loc de joncțiune p-n, acestea sunt construite folosind un joncțiune semiconductoare metalice așa cum se arată mai jos.

Secțiunea semiconductoare este construită în principal folosind siliciu de tip n și, de asemenea, cu o grămadă de materiale diferite, cum ar fi platină, tungsten, molibden, crom etc. viteza de comutare, căderea de tensiune înainte mai mică etc.

Cum functioneaza

În diodele Schottky electronii devin purtătorii majoritari în materialul semiconductor, în timp ce în metal prezintă purtători minoritari extrem de mici (găuri). Când cele două materiale sunt legate, electronii prezenți în semiconductorul de siliciu încep să curgă rapid către metalul conectat, rezultând un transfer masiv de purtători majoritari. Datorită energiei lor cinetice crescute decât metalul, ele sunt în general numite „purtători la cald”.

Diodele de joncțiune p-n normale, purtătorii minoritari sunt injectați pe diferite polarități adiacente. În timp ce în diodele Schottky electronii sunt injectați în regiuni cu polaritate identică.

Fluxul masiv de electroni către metal determină pierderi mari de purtători pentru materialul silicic în zona apropiată de suprafața joncțiunii, care seamănă cu regiunea de epuizare a joncțiunii p-n a altor diode. Purtătorii suplimentari din metal creează un „perete negativ” în metal între metal și semiconductor, care blochează intrarea suplimentară a curentului. Adică electronii încărcați negativ la semiconductorul de siliciu din interiorul diodelor Schottky facilitează o regiune liberă de purtător împreună cu un perete negativ la suprafața metalică.

Referindu-ne la figura prezentată mai jos, aplicarea curentului de polarizare directă în primul cadran determină o reducere a energiei barierei negative datorită atracției pozitive de la electronii din această zonă. Acest lucru duce la fluxul de întoarcere a electronilor în cantități uriașe peste graniță. Magnitudinea acestor electroni depinde de magnitudinea potențialului aplicat pentru polarizare.

Diferența dintre diodele normale și diodele Schottky

În comparație cu diodele normale de joncțiune p-n, joncțiunea barieră din diodele Schottky este mai mică, atât în ​​regiunile de polarizare directă cât și înapoi.

Acest lucru permite diodelor Schottky să aibă o conducție de curent mult îmbunătățită pentru același nivel de potențial de polarizare, atât în ​​regiunile de polarizare directă, cât și inversă. Aceasta pare a fi o caracteristică bună în regiunea de polarizare directă, deși este rea pentru regiunea de polarizare inversă.

Definiția caracteristicilor generale ale unei diode semiconductoare pentru regiunile de polarizare directă și inversă este reprezentată de ecuația:

Eu _D = Eu _S ( este ^{kVd / Tk} -1)

unde Is = curent invers de saturație
k = 11.600 / η cu η = 1 pentru materialul de germaniu și η = 2 pentru materialul din siliciu

Aceeași ecuație descrie creșterea exponențială a curentului în diodele Schottky în figura următoare, totuși factorul η este determinat de tipul de construcție al diodei.

În regiunea de polarizare inversă, curentul Este se datorează în principal acelor electroni metalici care călătoresc în materialul semiconductor.

Caracteristicile temperaturii

Pentru diodele Schottky, unul dintre aspectele primare care a fost continuu cercetat este modul de a minimiza curenții substanțiali de scurgere la temperaturi ridicate de peste 100 ° C.

Acest lucru a condus la producerea de dispozitive mai bune și îmbunătățite, care pot funcționa eficient chiar și la temperaturi extreme cuprinse între - 65 și + 150 ° C.

La temperaturile tipice ale camerei, această scurgere poate fi cuprinsă în gama de microamperi pentru diodele Schottky de putere redusă și în gama de miliamperi pentru dispozitivele cu putere mare.

Cu toate acestea, aceste cifre sunt mai mari în comparație cu diodele p-n normale la aceleași specificații de putere. De asemenea Evaluare PIV pentru un Schottky diodele pot fi mult mai mici decât diodele noastre tradiționale.

De exemplu, în mod normal, un dispozitiv de 50 de amperi poate avea un PIV de 50 V, în timp ce acesta poate fi de până la 150 V pentru o diodă normală de 50 de amperi. Acestea fiind spuse, progresele recente au permis diodelor Schottky cu rating PIV de peste 100 V la valori de amperaj similare.

Devine destul de clar din reprezentarea grafică de mai sus că diodelor Schottky li se atribuie un set de caracteristici aproape ideal, chiar mai bun decât o diodă cristalină (diodă de contact punctuală). Picătura înainte a unei diode de contact punct este de obicei mai mică decât o diodă normală de joncțiune p-n.

VT sau căderea de tensiune directă a diodei Schottky este determinată în mare măsură de metalul din interior. Se întâmplă să existe un compromis între efectul temperaturii și nivelul VT. Dacă unul dintre acești parametri crește, celălalt crește, de asemenea, degradând nivelul de eficiență al dispozitivului. În plus, VT depinde și de domeniul curent, valorile admise mai mici asigurând valori mai mici ale VT. Scăderea directă a VT poate fi în esență până la zero pentru o anumită unitate de nivel scăzut, într-o evaluare aproximativă. Pentru intervalele de curent mediu și superior, valorile de scădere directă ar putea fi în jurul valorii de 0,2 V, iar aceasta pare a fi o valoare reprezentativă fină.

În prezent, intervalul curent maxim tolerabil al diodei Schottky disponibile este de aproximativ 75 de amperi, deși până la 100 de amperi pot fi, de asemenea, la orizont în curând.

Aplicație diodă Schottky

Domeniul principal de aplicare al diodelor Schottky este în sursele de comutare sau SMPS, care sunt destinate să funcționeze cu frecvențe peste 20 kHz.

De obicei, o diodă Schottky de 50 de amperi la temperatura camerei poate fi evaluată cu o tensiune directă de 0,6 V și un timp de recuperare de 10 ns, special conceput pentru o aplicație SMPS. Pe de altă parte, o diodă de joncțiune p-n obișnuită poate prezenta o cădere înainte de 1,1 V și un volum de recuperare de aproximativ 30 până la 50 ns, la aceeași specificație curentă.

S-ar putea să găsiți diferența de tensiune înainte de mai sus să fie destul de mică, totuși, dacă ne uităm la nivelul disipării puterii dintre cele două: P (purtător fierbinte) = 0,6 x 50 = 30 wați și P (pn) = 1,1 x 50 = 55 de wați, ceea ce reprezintă o diferență destul de măsurabilă, care poate afecta în mod critic eficiența SMPS.

Deși, în regiunea de polarizare inversă disiparea într-o diodă Schottky poate fi ușor mai mare, totuși disipația de polarizare netă înainte și inversă va fi mult mai bună decât o diodă de joncțiune p-n.

Timp invers de recuperare

În dioda semiconductoare p-n obișnuită, timpul de recuperare inversă (trr) este ridicat din cauza purtătorilor minoritari injectați.

În diodele Schottky datorate transportatorilor minoritari extrem de mici, timpul de recuperare inversă este substanțial scăzut. Acesta este motivul pentru care diodele Schottky sunt capabile să funcționeze atât de eficient chiar și la frecvențe de 20 GHz, care necesită ca dispozitivele să comute la o viteză extrem de rapidă.

Pentru frecvențe mai mari decât aceasta, este încă folosită o diodă de contact punctuală sau o diodă cristalină, datorită zonei de joncțiune foarte mici sau a zonei de joncțiune punctuală.

Circuit echivalent cu diode Schottky

Următoarea figură ilustrează circuitul echivalent al unei diode Schottky cu valori tipice. Simbolul alăturat este simbolul standard al dispozitivului.

Inductanța Lp și capacitatea Cp sunt valorile specificate în ambalaj în sine, rB constituie rezistența de serie formată din rezistența de contact și rezistența în vrac.

Valorile pentru rezistența rd și capacitatea Cj sunt conform calculelor discutate în paragrafele anterioare.

Diagrama specificațiilor diodei Schottky

Graficul de mai jos ne oferă o listă de redresoare hot-carrier fabricate de Motorola Semiconductor Products, împreună cu specificațiile și detaliile acestora.