В 30-х годах прошлого столетия немецкий физик Вальтер Шоттки разработал теорию, позволившую создать приборы с односторонней проводимостью на основе контакта полупроводника и металла. Практические конструкции таких диодов были созданы позже, а в настоящее время они вытесняют вентили традиционной конструкции из многих областей электро- и радиотехники.
Что такое диод Шоттки, чем отличается от обычного диода
Диод Шоттки отличается от обычного кремниевого диода в первую очередь уменьшенным падением напряжения в прямом направлении. При этом рабочие токи (по отношению к габаритам) достаточно велики, а еще вентили с барьером Шоттки более толерантны к перегрузкам (кратности превышения тока над номинальным). Кроме того, диоды Шоттки являются быстродействующими. За счет особенностей устройства они быстрее переключаются из открытого состояния в закрытое и наоборот.
За эти преимущества надо платить, и оборотной стороной достоинств вентилей «полупроводник металл» являются:
- Повышенный ток утечки (заметно растет с увеличением температуры).
- Пониженное рабочее напряжение.
Это ограничивает область применения вентилей «полупроводник-металл».
Cуществуют и высоковольтные диоды Шоттки. Их делают на базе карбида кремния. Такие приборы выпускает, например, компания CREE. Они выдерживают напряжение до 300 вольт или выше. Однако при этом падение напряжения в открытом состоянии становится примерно равным падению у обычных диодов, поэтому одно из преимуществ нивелируется.
Разница между типами полупроводниковых приборов хорошо видны на ВАХ (даны без соблюдения масштаба). Еще одно отличие – обычный p-n переход при обратном смещении входит в режим обратимого лавинного пробоя (это свойство используется, например, в стабилитронах). Для барьера Шоттки же наступает тепловой пробой. Он необратим, и диод выходит из строя.
Применение в электронике
В силовой электронике вентили структуры полупроводник-металл применяют для выпрямления токов. Параметры диодов Шоттки идеально подходят для использования их в импульсных блоках питания, где преобразование происходит на достаточно высоких частотах (десятки или сотни килогерц). Низкое падение напряжения позволяет сэкономить на проводе для вторичных обмоток импульсных трансформаторов. При этом на выпрямительных элементах рассеивается меньшая мощность, а это, вкупе с высокими удельными токами, позволяет улучшить массогабаритные характеристики теплоотводящих радиаторов.
В связной технике (приемопередающая аппаратура) элементы с барьером Шоттки используют в качестве:
- выпрямителей ВЧ сигналов;
- детекторов;
- смесителей;
- переключающих элементов;
- прочих ВЧ узлах.
В подобных цепях способность выдерживать большие напряжения не нужна (впрочем, в этой области практически не востребованы и мощные диоды, способные выпрямлять большие токи). Зато требуется высокая скорость переключения, позволяющая реализовать эффективно работающие на радиочастотах схемы.
Низкое падение напряжения в данной сфере тоже имеет большое значение. За счет этого качества увеличиваются коэффициенты передачи смесителей, повышается чувствительность детекторов, снижаются потери в переключающих узлах, что помогает строить более чувствительную и энергетически эффективную аппаратуру.
Устройство и принцип работы
Обычные диоды имеют структуру «полупроводник n-типа – полупроводник p-типа». За счет контактной зоны между участками полупроводника с различным типом проводимости получается прибор, сопротивление которого зависит от направления протекания тока.
Принцип работы диод Шоттки схож, но имеются различия. В первую очередь, конструктивные. Барьер Шоттки создается за счет контактной зоны полупроводник – металл. Технологически при производстве на полупроводник напыляется металл.
Так как работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла, то электроны будут двигаться направлении полупроводник-металл, создавая внутреннее электрическое поле. Вскоре процесс достигнет равновесия – поле будет препятствовать движению новых электронов. В итоге на границе появится потенциальный барьер, который называется барьером Шоттки.
Если создать прямое смещение, подключив плюс источника питания к металлической области, а минус – к полупроводнику, электроны из зоны полупроводника под действием внешнего электрического поля смогут преодолеть потенциальный барьер, и перейти из p-полупроводника в металл.
Это произойдет, если внешняя разность потенциалов превышает величину 0,2 вольта.
Если подать на диод смещение в обратном направлении, это приведет к увеличению напряженности электрического поля. Ширина переходной зоны увеличится, следовательно, увеличится ее сопротивление. Таким образом, барьер Шоттки имеет одностороннюю проводимость, и это свойство можно использовать для создания практических конструкций диодов.
Ключевые характеристики
Первой характеристикой, на которую обращают внимание при выборе полупроводникового прибора для силовой цепи, это наибольший выпрямленный ток. Второе, на что надо обратить внимание – предельное обратное напряжение. Если диод используется в импульсных или высокочастотных устройствах, надо посмотреть его предельную рабочую частоту. Обычно этих характеристик достаточно для принятия решения о применении полупроводникового прибора. Данные параметры присущи как диоду с барьером Шоттки, так и приборам с обычным p-n переходом.
Если для схемы важны остальные характеристики (такие, как ток утечки, температурные зависимости параметры, габариты, вес и т.п.), все это можно найти в даташитах от производителей полупроводниковых приборов.
Маркировка на корпусе и обозначение на схеме
Условно-графическое обозначение диода Шоттки состоит из УГО обычного диода, к которому добавлены дополнительные элементы. Существует несколько вариантов изображения приборов структуры металл-полупроводник, они показаны на рисунке.
Иногда для диодов Шоттки применяют УГО обычного вентиля с односторонней проводимостью, а понять, что это диод структуры металл-полупроводник можно по типу прибора из datasheet или по описанию (спецификации) к схеме.
Единого стандарта для маркировки приборов структуры металл-полупроводник также не существует. Чаще всего на корпус, который также может быть различным – с двумя выводами или более (для диодных сборок) — наносят тип элемента и дополнительную информацию (логотип производителя, сведения о локации производства, дате выпуска и т.п.).
По маркировке отличить диод Шоттки или диодную сборку от обычных полупроводниковых приборов нельзя.
Пример работы диода Шоттки в схеме блока питания
Диоды Шоттки часто применяют в компьютерных импульсных блоках питания, где для каналов с небольшим выходным напряжением (+5 вольт, +3,3 вольта) характерны большие выходные токи – идеальные цепи для вентилей структуры «полупроводник-металл», где оптимально используются их преимущества.
Чтобы в полной мере использовать мощность преобразователя, применяются двухполупериодные схемы выпрямления. Однако классические мостовые имеют недостаток – в течение одного полупериода ток проходит через два диода, падение напряжения удваивается, преимущество диодов Шоттки нивелируется. По этой причине в компьютерных БП используется двухполупериодная схема со средней точкой, а импульсный трансформатор выполняется под эту схему. В результате удается дополнительно снизить потери мощности.
В качестве примера интересно рассмотреть фрагмент вторичных цепей схемы БП JNC LC-B250ATX. В ней диоды Шоттки (диодные сборки PSR10C40CT) применены в низковольтных каналах. В цепях же формирования относительно больших напряжений +12 и -12 вольт, в которых потребление тока к тому же невелико, применяются обычные (хотя и с повышенным быстродействием) кремниевые вентили FR154 и FR302. Видимо, при разработке экономические или технологические причины перевесили проблему определенных потерь мощности от повышенного падения напряжения.
Как отмечено, назначение приборов с барьером Шоттки не ограничивается схемами выпрямления. Их можно применять везде, где требуются вентили с односторонней проводимостью – с учетом их особенностей. Здесь многое зависит от навыков разработчика использовать плюсы и обходить минусы различных электронных компонентов.
