Οι δίοδοι φραγμού Schottky είναι διόδους ημιαγωγών σχεδιασμένες με ελάχιστη τάση προς τα εμπρός και γρήγορες ταχύτητες μεταγωγής που μπορεί να είναι τόσο χαμηλές όσο 10 ns. Κατασκευάζονται σε τρέχουσες κλίμακες από 500 mA έως 5 amp και έως 40 V. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών καθίστανται ιδιαίτερα κατάλληλες σε εφαρμογές χαμηλής τάσης, υψηλής συχνότητας όπως σε SMPS, καθώς και ως αποτελεσματικές δίοδοι ελεύθερης περιστροφής.
Το σύμβολο της συσκευής εμφανίζεται στην ακόλουθη εικόνα:
Ευγένεια: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode
Εσωτερική κατασκευή
Οι δίοδοι Schottky κατασκευάζονται διαφορετικά σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διόδους σύνδεσης p-n. Αντί για διασταύρωση p-n κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ένα μεταλλική σύνδεση ημιαγωγών όπως φαίνεται παρακάτω.
Το τμήμα ημιαγωγών κατασκευάζεται κυρίως χρησιμοποιώντας πυρίτιο τύπου n και επίσης με πολλά υλικά όπως πλατίνα, βολφράμιο, μολυβδαίνιο, χρώμιο κ.λπ. Η δίοδος μπορεί να έχει διαφορετικό σύνολο χαρακτηριστικών ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιείται, επιτρέποντάς τους να έχουν ταχύτητα μεταγωγής, χαμηλότερη πτώση τάσης εμπρός κ.λπ.
Πως δουλεύει
Στο Schottky δίοδοι τα ηλεκτρόνια γίνονται ο πλειοψηφικός φορέας του ημιαγωγού υλικού, ενώ στο μέταλλο εκτίθενται εξαιρετικά μικρές μειοψηφικοί φορείς (οπές). Όταν τα δύο υλικά συνδέονται, τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στον ημιαγωγό πυριτίου αρχίζουν να ρέουν γρήγορα προς το συνδεδεμένο μέταλλο, με αποτέλεσμα μια μαζική μεταφορά πλειοψηφικών φορέων. Λόγω της αυξημένης κινητικής τους ενέργειας από το μέταλλο, γενικά ονομάζονται «καυτοί φορείς».
Οι κανονικές διόδους σύνδεσης p-n οι φορείς μειοψηφίας εγχύονται σε διαφορετικές γειτονικές πολικότητες. Ενώ στις δίοδοι Schottky τα ηλεκτρόνια εγχύονται σε περιοχές με ταυτόσημη πολικότητα.
Η μαζική εισροή ηλεκτρονίων προς το μέταλλο προκαλεί μεγάλη απώλεια φορέων για το υλικό πυριτίου στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια διασταύρωσης, η οποία μοιάζει με την περιοχή εξάντλησης της σύνδεσης p-n άλλων διόδων. Οι πρόσθετοι φορείς στο μέταλλο δημιουργούν ένα «αρνητικό τοίχωμα» στο μέταλλο μεταξύ του μετάλλου και του ημιαγωγού που εμποδίζει την περαιτέρω είσοδο του ρεύματος. Η έννοια των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό πυριτίου εντός των διόδων Schottky διευκολύνει μια περιοχή χωρίς φορέα μαζί με ένα αρνητικό τοίχωμα στην μεταλλική επιφάνεια.
Αναφερόμενοι στο σχήμα που φαίνεται παρακάτω, η εφαρμογή ρεύματος μεροληψίας προς τα εμπρός στο πρώτο τεταρτημόριο προκαλεί μείωση της ενέργειας του αρνητικού φραγμού λόγω της θετικής έλξης από τα ηλεκτρόνια αυτής της περιοχής. Αυτό οδηγεί στην επιστροφή των ηλεκτρονίων σε τεράστιες ποσότητες κατά μήκος του ορίου. Το μέγεθος αυτών των ηλεκτρονίων εξαρτάται από το μέγεθος του δυναμικού που εφαρμόζεται για την πόλωση.
Διαφορά μεταξύ των κανονικών διόδων και των διόδων Schottky
Σε σύγκριση με τις κανονικές διόδους σύνδεσης p-n, η σύνδεση φραγμού στις διόδους Schottky είναι χαμηλότερη, τόσο στις εμπρόσθιες όσο και στις αντίστροφες περιοχές πόλωσης.
Αυτό επιτρέπει στις διόδους Schottky να έχουν πολύ βελτιωμένη τρέχουσα αγωγιμότητα για το ίδιο επίπεδο δυναμικού μεροληψίας, τόσο στις εμπρόσθιες όσο και στις αντίστροφες περιοχές πόλωσης. Αυτό φαίνεται να είναι ένα καλό χαρακτηριστικό στην περιοχή μεροληψίας προς τα εμπρός, αν και κακό για την περιοχή αντίστροφης μεροληψίας.
Ο ορισμός των γενικών χαρακτηριστικών μιας διόδου ημιαγωγού για τις περιοχές εμπρόσθιας και αντίστροφης μεροληψίας αντιπροσωπεύεται από την εξίσωση:
Εγώ ρε = Εγώ μικρό ( είναι kVd / Tk -1)
όπου Is = ρεύμα αντίστροφης κορεσμού
k = 11.600 / η με η = 1 για υλικό γερμανίου και η = 2 για υλικό πυριτίου
Η ίδια εξίσωση περιγράφει την εκθετική αύξηση του ρεύματος στις διόδους Schottky στο ακόλουθο σχήμα, ωστόσο ο παράγοντας η καθορίζεται από τον τύπο κατασκευής της διόδου.
Στην περιοχή αντίστροφης μεροληψίας, το ρεύμα Είναι οφείλεται κυρίως σε εκείνα τα μεταλλικά ηλεκτρόνια που ταξιδεύουν στο υλικό ημιαγωγών.
Χαρακτηριστικά θερμοκρασίας
Για τις διόδους Schottky, μία από τις πρωταρχικές πτυχές που εξετάζεται συνεχώς είναι ο τρόπος ελαχιστοποίησης των σημαντικών ρευμάτων διαρροής σε υψηλές θερμοκρασίες άνω των 100 ° C.
Αυτό οδήγησε στην παραγωγή καλύτερων και βελτιωμένων συσκευών που μπορούν να λειτουργήσουν αποτελεσματικά ακόμη και σε ακραίες θερμοκρασίες μεταξύ - 65 έως + 150 ° C.
Σε τυπικές θερμοκρασίες δωματίου, αυτή η διαρροή μπορεί να κυμαίνεται από μικροαμπέρ για δίοδο Schottky χαμηλής ισχύος και στο εύρος χιλιομέτρων για τις συσκευές υψηλής ισχύος.
Ωστόσο, αυτές οι τιμές είναι μεγαλύτερες σε σύγκριση με τις κανονικές διόδους p-n στις ίδιες προδιαγραφές ισχύος. Επίσης το Αξιολόγηση PIV για μια δίοδο Schottky μπορεί να είναι πολύ μικρότερη από τις παραδοσιακές δίοδοι μας.
Για παράδειγμα, κανονικά μια συσκευή 50 amp μπορεί να έχει βαθμολογία PIV 50 V, ενώ αυτή μπορεί να είναι έως 150 V για μια κανονική δίοδο 50 amp. Τούτου λεχθέντος, οι πρόσφατες εξελίξεις επέτρεψαν τις διόδους Schottky με βαθμολογίες PIV άνω των 100 V στις παρόμοιες τιμές έντασης.
Καθίσταται σαφές από την παραπάνω γραφική παράσταση ότι οι δίοδοι Schottky αποδίδονται με ένα σχεδόν ιδανικό σύνολο χαρακτηριστικών, ακόμη καλύτερα από μια κρυσταλλική δίοδο (δίοδος επαφής σημείου). Η προς τα εμπρός πτώση μιας διόδου επαφής σημείου είναι συνήθως χαμηλότερη από μια κανονική δίοδο σύνδεσης p-n.
Το VT ή η πτώση τάσης προς τα εμπρός της δίοδος Schottky καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το εσωτερικό του μετάλλου. Υπάρχει συμβιβασμός μεταξύ της επίδρασης της θερμοκρασίας και του επιπέδου VT. Εάν μία από αυτές τις παραμέτρους αυξηθεί, η άλλη αυξάνει επίσης υποβαθμίζοντας το επίπεδο απόδοσης της συσκευής. Επιπλέον, το VT εξαρτάται επίσης από το τρέχον εύρος, οι χαμηλότερες επιτρεπόμενες τιμές εξασφαλίζουν χαμηλότερες τιμές του VT. Η πτώση προς τα εμπρός VT μπορεί ουσιαστικά να είναι μηδενική για συγκεκριμένες μονάδες χαμηλού επιπέδου, σε μια κατά προσέγγιση αξιολόγηση. Για μεσαίες και υψηλότερες τρέχουσες περιοχές, οι τιμές πτώσης προς τα εμπρός θα μπορούσαν να είναι περίπου 0,2 V και αυτό φαίνεται να είναι μια λεπτή αντιπροσωπευτική τιμή.
Προς το παρόν, το μέγιστο ανεκτό εύρος ρεύματος Schottky diode που διατίθεται είναι περίπου 75 αμπέρ, αν και έως και 100 αμπέρ μπορεί επίσης να βρίσκονται στον ορίζοντα σύντομα.
Εφαρμογή διόδων Schottky
Η κύρια περιοχή εφαρμογής των διόδων Schottky είναι η εναλλαγή τροφοδοτικών ή SMPS, τα οποία προορίζονται να λειτουργούν με συχνότητες άνω των 20 kHz.
Συνήθως, μια δίοδος Schottky 50 amp σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να βαθμολογηθεί με τάση εμπρός 0,6 V και χρόνο ανάκτησης 10 ns, ειδικά σχεδιασμένη για εφαρμογή SMPS. Από την άλλη πλευρά, μια συνηθισμένη δίοδος διακλάδωσης p-n μπορεί να εμφανίζει εμπρόσθια πτώση 1,1 V και τόμο ανάκτησης περίπου 30 έως 50 ns, στην ίδια τρέχουσα προδιαγραφή.
Μπορεί να διαπιστώσετε ότι η παραπάνω διαφορά τάσης προς τα εμπρός είναι αρκετά μικρή, ωστόσο αν κοιτάξουμε το επίπεδο απόσβεσης ισχύος μεταξύ των δύο: P (θερμός φορέας) = 0,6 x 50 = 30 watt και P (pn) = 1,1 x 50 = 55 watt, η οποία είναι μια αρκετά μετρήσιμη διαφορά, που μπορεί να βλάψει την απόδοση του SMPS κρίσιμα.
Αν και, στην περιοχή αντίστροφης μεροληψίας, ο διασκεδασμός σε μια δίοδο Schottky μπορεί να είναι ελαφρώς υψηλότερος, ωστόσο ο καθαρός διασκορπισμός εμπρόσθιας και αντίστροφης μεροληψίας θα είναι πολύ καλύτερος από μια δίοδο διασταύρωσης p-n.
Αντίστροφη ώρα ανάκτησης
Στη συνηθισμένη δίοδο ημιαγωγού p-n, ο χρόνος ανάστροφης ανάκτησης (trr) είναι υψηλός λόγω των εγχυμένων μειονοτικών φορέων.
Στις Schottky Diodes λόγω εξαιρετικά χαμηλών μειονοτικών μεταφορέων, ο αντίστροφος χρόνος ανάκτησης είναι ουσιαστικά χαμηλός. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι Schottky Diodes μπορούν να λειτουργούν τόσο αποτελεσματικά ακόμη και σε συχνότητες 20 GHz, οι οποίες απαιτούν από τις συσκευές να αλλάζουν με εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα.
Για υψηλότερες συχνότητες από αυτήν, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται μια δίοδος επαφής σημείου ή μια κρυσταλλική δίοδος, λόγω της πολύ μικρής περιοχής διασταύρωσης ή της περιοχής διασταύρωσης σημείου.
Ισοδύναμο κύκλωμα Schottky Diodes
Η επόμενη εικόνα απεικονίζει το ισοδύναμο κύκλωμα μιας δίοδος Schottky με τυπικές τιμές. Το παρακείμενο σύμβολο είναι το τυπικό σύμβολο της συσκευής.
Η επαγωγή Lp και η χωρητικότητα Cp είναι οι τιμές που καθορίζονται στο ίδιο το πακέτο, το rB αποτελεί την αντίσταση σειράς που αποτελείται από την αντίσταση επαφής και την αντίσταση χύδην.
Οι τιμές για την αντίσταση rd και την χωρητικότητα Cj είναι σύμφωνα με τους υπολογισμούς που συζητήθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους.
Διάγραμμα προδιαγραφών διόδων Schottky
Το παρακάτω διάγραμμα μας παρέχει μια λίστα με ανορθωτές θερμού φορέα που κατασκευάζονται από την Motorola Semiconductor Products μαζί με τις προδιαγραφές και τις λεπτομέρειες pinout.
Προηγούμενο: Διόρθωση διόδων: Half-Wave, Full-Wave, PIV Επόμενο: Κύκλωμα φωτός φραγής LED
