Schottky Diodes - Bekerja, Karakteristik, Aplikasi

Diod penghalang Schottky adalah diod semikonduktor yang direka dengan voltan hadapan minimum dan kelajuan beralih pantas yang mungkin serendah 10 ns. Ini dihasilkan dalam julat arus dari 500 mA hingga 5 amp dan hingga 40 V. Oleh kerana ciri-ciri ini, ia menjadi sangat sesuai dalam voltan rendah, aplikasi frekuensi tinggi seperti di SMPS, dan juga sebagai dioda freewheeling yang cekap.

Simbol peranti ditunjukkan dalam gambar berikut:

Dengan hormat: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode

Pembinaan Dalaman

Diod Schottky dibina berbeza berbanding diod persimpangan p-n tradisional. Daripada persimpangan p-n mereka dibina menggunakan a persimpangan semikonduktor logam seperti yang ditunjukkan di bawah.

Bahagian semikonduktor kebanyakannya dibina menggunakan silikon jenis-n, dan juga dengan sekumpulan bahan yang berbeza seperti platinum, tungsten, molibdenum, krom dan lain-lain. Dioda mungkin mempunyai set ciri yang berbeza bergantung pada bahan mana yang digunakan, yang memungkinkan mereka bertambah baik kelajuan beralih, penurunan voltan ke hadapan yang lebih rendah dll.

Bagaimana ia berfungsi

Di Schottky dioda elektron menjadi pembawa majoriti dalam bahan semikonduktor, sementara di logam menunjukkan pembawa minoriti yang sangat kecil (lubang). Apabila kedua-dua bahan tersebut dihubungkan, elektron yang terdapat dalam semikonduktor silikon mula mengalir dengan cepat ke arah logam yang disambungkan, yang mengakibatkan pemindahan pembawa majoriti yang besar. Oleh kerana peningkatan tenaga kinetiknya daripada logam, mereka secara umum disebut 'pembawa panas'.

Diod persimpangan p-n normal pembawa minoriti disuntik melintasi polariti berdekatan yang berbeza. Manakala di dioda Schottky elektron disuntik di seluruh kawasan dengan kekutuban yang sama.

Kemasukan elektron ke logam secara besar-besaran menyebabkan kehilangan pembawa yang besar bagi bahan silikon di kawasan yang dekat dengan permukaan persimpangan, yang menyerupai kawasan penipisan persimpangan p-n dioda lain. Pembawa tambahan dalam logam mewujudkan 'dinding negatif' pada logam antara logam dan semikonduktor yang menyekat kemasukan arus lebih jauh. Maksudnya elektron bercas negatif pada semikonduktor silikon di dalam dioda Schottky memudahkan kawasan bebas pembawa bersama dengan dinding negatif di permukaan logam.

Merujuk pada gambar yang ditunjukkan di bawah ini, menerapkan arus bias ke hadapan pada kuadran pertama menyebabkan pengurangan tenaga penghalang negatif kerana daya tarikan positif dari elektron di kawasan ini. Ini membawa kepada aliran balik elektron dalam jumlah besar melintasi sempadan. Besarnya elektron ini bergantung pada besarnya potensi yang digunakan untuk biasing.

Perbezaan antara dioda Normal dan diod Schottky

Berbanding dengan diod persimpangan p-n biasa, persimpangan penghalang di dioda Schottky lebih rendah, baik di kawasan bias maju dan terbalik.

Ini membolehkan dioda Schottky mempunyai konduksi arus yang jauh lebih baik untuk tahap potensi bias yang sama, di kedua-dua kawasan bias maju dan terbalik. Ini nampaknya merupakan ciri yang baik di wilayah bias ke depan, walaupun buruk untuk wilayah bias terbalik.

Definisi ciri umum dioda semikonduktor untuk kawasan bias maju dan terbalik diwakili oleh persamaan:

Saya _D = Saya _S (adalah ^{kVd / Tk} -1)

di mana Is = arus tepu terbalik
k = 11,600 / η dengan η = 1 untuk bahan Germanium dan η = 2 untuk bahan Silikon

Persamaan yang sama menggambarkan kenaikan eksponen semasa dalam dioda Schottky dalam rajah berikut, namun faktor η ditentukan oleh jenis pembinaan dioda.

Di rantau bias terbalik, arus Adakah terutamanya disebabkan oleh elektron logam yang memasuki bahan semikonduktor.

Ciri-ciri Suhu

Untuk dioda Schottky, salah satu aspek utama yang telah diteliti secara berterusan adalah bagaimana meminimumkan arus kebocoran yang besar pada suhu tinggi melebihi 100 ° C.

Ini menyebabkan pengeluaran peranti yang lebih baik dan lebih baik yang dapat berfungsi dengan cekap walaupun pada suhu yang melampau antara - 65 hingga + 150 ° C.

Pada suhu bilik biasa, kebocoran ini mungkin berada dalam jarak mikroamere untuk dioda Schottky berkekuatan rendah, dan dalam julat miliamper untuk peranti berkuasa tinggi.

Walau bagaimanapun, angka ini lebih besar jika dibandingkan dengan dioda p-n biasa dengan spesifikasi kuasa yang sama. Juga, PIV peringkat untuk dioda Schottky jauh lebih rendah daripada diod tradisional kami.

Sebagai contoh, biasanya peranti 50 amp mungkin mempunyai peringkat PIV 50 V, sedangkan ini mungkin hingga 150 V untuk diod 50 amp biasa. Yang mengatakan, kemajuan baru-baru ini telah membolehkan dioda Schottky dengan penarafan PIV melebihi 100 V pada nilai ampere yang serupa.

Dari gambaran grafik di atas menjadi jelas bahawa dioda Schottky dikaitkan dengan set ciri yang hampir ideal, bahkan lebih baik daripada dioda kristal (dioda titik kontak). Penurunan hadapan dioda titik kontak biasanya lebih rendah daripada diodan p-n biasa.

VT atau penurunan voltan hadapan dioda Schottky sebahagian besarnya ditentukan oleh logam di dalamnya. Kebetulan berlaku pertukaran antara kesan suhu dan tahap VT. Sekiranya salah satu parameter ini meningkat, parameter yang lain juga akan meningkatkan tahap kecekapan peranti. Selanjutnya, VT juga bergantung pada julat semasa, nilai yang dibenarkan lebih rendah memastikan nilai VT yang lebih rendah. Penurunan ke hadapan VT pada dasarnya boleh menjadi sifar untuk unit tahap rendah tertentu, dalam penilaian anggaran. Untuk julat arus pertengahan dan lebih tinggi, nilai penurunan ke depan mungkin sekitar 0.2 V, dan ini nampaknya merupakan nilai perwakilan halus

Pada masa ini julat maksimum dioda Schottky yang boleh diterima ialah sekitar 75 amp, walaupun sehingga 100 amp mungkin juga akan berada di cakrawala tidak lama lagi.

Aplikasi diod Schottky

Kawasan aplikasi utama Schottky dioda adalah menukar bekalan kuasa atau SMPS, yang dimaksudkan untuk berfungsi dengan frekuensi lebih dari 20 kHz.

Biasanya, dioda Schottky 50 amp pada suhu bilik boleh dinilai dengan voltan hadapan 0.6 V, dan masa pemulihan 10 ns, yang direka khusus untuk aplikasi SMPS. Sebaliknya, diod persimpangan p-n biasa boleh menunjukkan penurunan hadapan 1.1 V dan jumlah pemulihan sekitar 30 hingga 50 ns, pada spesifikasi semasa yang sama.

Anda mungkin mendapati perbezaan voltan ke depan di atas agak kecil, namun jika kita melihat tahap pelesapan daya antara keduanya: P (pembawa panas) = ​​0.6 x 50 = 30 watt, dan P (pn) = 1.1 x 50 = 55 watt, yang merupakan perbezaan yang cukup besar, dapat merosakkan kecekapan SMPS secara kritikal.

Walaupun, di wilayah bias terbalik, pembuangan dalam dioda Schottky mungkin sedikit lebih tinggi, namun penyebaran bias ke depan dan terbalik akan jauh lebih baik daripada diod persimpangan p-n.

Masa Pemulihan Berbalik

Dalam diod semikonduktor p-n biasa, masa pemulihan terbalik (trr) tinggi kerana pembawa minoriti yang disuntik.

Di Schottky Diodes kerana pembawa minoriti yang sangat rendah, masa pemulihan terbalik pada dasarnya rendah. Inilah sebabnya mengapa Schottky Diodes dapat berfungsi dengan berkesan walaupun pada frekuensi 20 GHz, yang memerlukan peranti untuk beralih pada kelajuan yang sangat cepat.

Untuk frekuensi yang lebih tinggi daripada ini, dioda titik kontak atau diod kristal masih digunakan, kerana kawasan persimpangan atau kawasan persimpangan titik yang sangat kecil.

Litar Setara Diod Schottky

Rajah seterusnya menggambarkan litar setara dari Schottky Diode dengan nilai tipikal. Simbol bersebelahan adalah simbol standard peranti.

Induktansi Lp dan kapasitansi Cp adalah nilai yang ditentukan dalam pakej itu sendiri, rB merupakan rintangan siri yang terdiri daripada rintangan hubungan dan rintangan pukal.

Nilai untuk rd rintangan dan kapasitansi Cj adalah seperti pengiraan yang dibincangkan dalam perenggan sebelumnya.

Carta Spesifikasi diod Schottky

Carta di bawah ini memberi kami senarai penyearah pembawa panas yang dikeluarkan oleh Motorola Semiconductor Products berserta spesifikasi dan butiran pinout mereka.