Конструкция на диоди на Шотки, предимства и приложения в съвременната електроника

Диодът на Шотки е специален тип диод, известен със своята бърза скорост на превключване и нисък спад на напрежението напред.Той играе важна роля в съвременната електроника, от токоизправители до високочестотни вериги.Тази статия обяснява неговия принцип на работа, конструкция, типове, употреби, предимства и как се различава от p–n преходния диод.

Каталог

Фигура 1. Какво е диод на Шотки?

Какво е диод на Шотки?

Диодът на Шотки е специален тип полупроводников диод, който използва преход метал-полупроводник вместо конвенционалния p–n преход, открит в стандартните диоди.Известен е още като бариерен диод на Шотки (SBD).За разлика от обикновените диоди, диодите на Шотки са проектирани за високоскоростно превключване и нисък спад на напрежението. Това ги прави идеални за вериги, където ефективността и скоростта имат значение, като токоизправители, RF детектори и импулсни захранващи устройства.

История на диода на Шотки

Фигура 2. Еволюция на диода на Шотки

Концепцията на Бариерата на Шотки е въведена през 30-те години на миналия век, но само диоди на Шотки стана осъществимо през 60-те години с напредъка в производството на полупроводници.В ранните дни тези диоди се използват предимно в микровълнови и радиочестотни вериги поради изключително бързото им време за реакция.С подобряването на науката за материалите, силициеви диоди на Шотки станаха достъпни и надеждни, проправяйки пътя за тяхното използване в силовата електроника.днес, модерни материали като напр Галиев арсенид (GaAs) и силициев карбид (SiC) се използват за изграждане на високопроизводителни диоди на Шотки за приложения с висока температура и високо напрежение.

Принцип на работа на диода на Шотки

Фигура 3. Принцип на работа на диода на Шотки

Работата на диода на Шотки се основава на бариерата на Шотки, образувана на кръстовището между метал и полупроводник.Когато а метал като платина или молибден влиза в контакт с n-тип полупроводник като силиций, електроните се движат от полупроводника към метала, докато се достигне равновесие.Този трансфер създава област на изчерпване и потенциална бариера, наречена бариера на Шотки.При преднапрегнатост електроните от полупроводника лесно преминават през тази бариера в метала, позволявайки на тока да тече с много малък спад на напрежението.

Когато на диодът е обратно предубеден, височината на бариерата се увеличава и блокира по-голямата част от тока, въпреки че остава малък ток на утечка, тъй като няма истински p–n преход.Тъй като проводимостта включва само мажоритарни носители (електрони), а не малцинствени носители (дупки), диодът на Шотки няма съхранение на заряд, което позволява много по-бързи скорости на превключване от обикновените диоди.

Спецификация на диода на Шотки

Спецификация	Типично Стойност / диапазон	Описание
Право падане на напрежението (Vf)	0,15 V – 0,45 V	Много по-ниско от стандартния силиций диоди (~0,7 V), позволяващи по-висока ефективност.
Обратен ток на утечка (Ir)	Сравнително високо	Малък ток протича при реверс пристрастие;нараства с температурата.
Обратно напрежение на пробив (Vбр)	20 V – 200 V	Максимално обратно напрежение на диода може да понесе преди срив.
Време за обратно възстановяване (trr)	Няколко наносекунди	Изключително бързо превключване поради съхранение без такса.
Максимален прав ток (Ifмакс)	Зависи от устройството	Максимален продължителен ток диод може безопасно да провежда.
Капацитет на свързване	ниско	Поддържа високочестотни и вериги за бързо превключване.

Видове диоди на Шотки

Фигура 4. Нискобариерни диоди на Шотки

• Нискобариерни диоди на Шотки

Диодите на Шотки с ниска бариера са проектирани да предлагат много нисък спад на напрежението напред, обикновено в диапазона от 0,15 до 0,3 волта , което значително намалява загубата на мощност и подобрява цялостната ефективност на веригата.Това обаче идва с компромис, който те показват по-висок обратен ток на утечка, особено при повишени температури.Тези диоди обикновено се използват в преобразуватели на логическо ниво, схеми за управление на захранването, RF детектори и устройства, захранвани от батерии.

Фигура 5. Високобариерни диоди на Шотки

• Високобариерни диоди на Шотки

Диодите на Шотки с висока бариера са предназначени да осигуряват по-нисък обратен ток на утечка в сравнение с типовете с ниска бариера, предлагайки подобрени възможност за обратно блокиране и по-добра стабилност при по-високи напрежения.Те имат a малко по-висок спад на напрежението напред което е компромис за намалено изтичане и повишена надеждност.Тези диоди са идеални за приложения със средно до високо напрежение където поддържането на ниски утечки е по-критично от минимизирането на спада на напрежението.

Фигура 6. Силициеви (Si) диоди на Шотки

• Шотки диоди от силициев карбид (SiC).

Тези диоди са известни със способността си да издържат на високо напрежение, високи токове и високи температури, което ги прави идеални за силова електроника като например инвертори, DC–DC преобразуватели и моторни задвижвания.Силициевият карбид има a широка забранена лента, което позволява на диода да работи ефективно при по-високи напрежения и температури с по-ниска загуба на енергия в сравнение със силициевите диоди.С

Фигура 7. Диоди на Шотки от галиев арсенид (GaAs).

• Диоди на Шотки от галиев арсенид (GaAs).

Проектиран за високочестотна работа и обикновено се използва в радиочестотни, микровълнови и комуникационни вериги.GaAs диодите на Шотки често се използват в миксери, детектори, осцилатори и честотни умножители за радарни системи, сателитни комуникации и безжични предаватели

Конструкция и структура на диода на Шотки

Фигура 10. Конструкция и структура на диода на Шотки

Шотки диод е конструиран с помощта на преход метал-полупроводник вместо p-n прехода открити в конвенционалните диоди.Обикновено тънък слой метал като платина, молибден, хром, алуминий или волфрам се отлага върху полупроводник от n-тип (обикновено силиций).Този интерфейс метал-полупроводник образува бариерата на Шотки, която е отговорна за коригиращото поведение на диода.

Структурата включва три основни части метални слоеве който действа като анод и осигурява бариерата на Шотки, която контролира електронния поток. n-тип полупроводников слой който служи като катод;електроните се движат от този слой в метала по време на изместване напред и област на изчерпване, която се образува при контакта на металния полупроводник;той е тънък и позволява бързо превключване с минимално съхранение на заряд.

За разлика от диода с p–n преход, няма p-тип материал в диод на Шотки, което означава, че проводимостта се осъществява само чрез основни носители (електрони).Това води до нисък спад на напрежението напред, бърза скорост на превключване и ниска загуба на мощност.Устройството обикновено се монтира върху метална основа или субстрат за разсейване на топлината и целият комплект е капсулован, за да се предпази от въздействието на околната среда.

Приложения на диода на Шотки

Фигура 11. Приложения на диода на Шотки

Диодите на Шотки се използват широко в съвременната електроника поради ниското им падане на напрежението, бързата скорост на превключване и високата ефективност.По-долу са основните приложения, обяснени ясно:

• Силови токоизправители

Използва се в захранващи устройства и преобразуватели за ефективно преобразуване на AC в DC с минимални загуби на напрежение и генериране на топлина.

• Превключващи вериги

Идеален за високоскоростни цифрови и логически схеми, където бързото превключване и малкото време за възстановяване са от съществено значение.

• Затягащи и защитни вериги

Защитете чувствителните компоненти чрез фиксиране на пикове на напрежението, предотвратявайки повреда в цифрови или RF системи.

• RF и микровълнови вериги

Често срещани в радиочестотни, радарни и комуникационни системи поради ниския им капацитет и бърза реакция.

• Затягане на напрежението и оформяне на вълни

Използва се във вериги за оформяне на форма на вълна и клипсиране за поддържане на нивата на сигнала в безопасни граници.

• Защита от обратен ток

Предотвратява обратното протичане на ток във вериги като зарядни устройства за батерии и слънчеви енергийни системи.

• Захранващи вериги ИЛИ

Използва се за превключване между множество източници на захранване без значителен спад на напрежението.

• Смесители и детектори

Среща се в RF приемници и микровълнови детектори, където бързото им превключване позволява точно откриване на сигнала.

Предимства на диода на Шотки

• Нисък спад на напрежението напред

Типичният спад на напрежението е само около 0,2 до 0,3 волта, което намалява загубата на мощност и подобрява цялостната ефективност, особено при приложения с ниско напрежение.

• Бърза скорост на превключване

Тъй като няма съхранение на заряд от миноритарни носители, диодите на Шотки могат да се включват и изключват в рамките на наносекунди, което ги прави идеални за високоскоростни вериги.

• Висока ефективност

Ниското съпротивление напред и минималното разсейване на мощността водят до по-добра енергийна ефективност, особено в токоизправителите и превключващите регулатори.

• Ниска загуба на мощност

Намаленият спад на напрежението в диода минимизира генерирането на топлина, позволявайки по-малки радиатори и компактни конструкции.

• По-добра термична производителност

Възможност за работа при по-високи честоти и температури в сравнение със стандартните p–n диоди.

• Проста конструкция

Структурата метал-полупроводник опростява производството и осигурява постоянна производителност.

• Подходящ за високочестотни приложения

Ниският капацитет на прехода и бързото възстановяване ги правят идеални за радиочестотни, микровълнови и импулсни захранващи вериги.

Ограничения и предпазни мерки за диода на Шотки

Ограничения

• Висок обратен ток на утечка: Диодите на Шотки имат по-голямо обратно изтичане, особено при високи температури, което може да причини нежелана загуба на мощност.

• Ниско обратно напрежение на пробив: Обикновено между 20 V и 200 V, което ограничава използването във вериги с високо напрежение.

• Температурна чувствителност: Токът на утечка се увеличава бързо с повишаване на температурата, което влияе върху работата.

• Ограничени възможности за високо напрежение: Тънката област на изчерпване може лесно да се разпадне при силно обратно отклонение.

• По-високи разходи: Усъвършенстваните материали на Шотки са по-скъпи от стандартните силиконови версии.

Предпазни мерки

• Ограничете обратното напрежение: Винаги поддържайте обратното напрежение под номиналната стойност, за да предотвратите повреда на кръстовището.

• Осигурете правилно разсейване на топлината: Използвайте радиатори или добър термичен дизайн на PCB за управление на температурата.

• Избягвайте среда с висока температура: Предотвратете прекомерното нагряване, за да избегнете повишено изтичане или повреда.

• Проверете внимателно номиналното напрежение: Изберете диод с адекватен резерв на обратно напрежение за вашето приложение.

• Ооптимизиране на използването: Използвайте скъпи диоди на Шотки само когато са необходими техните предимства в производителността.

Диодни вериги на Шотки

Схеми на токоизправител

Диодите на Шотки се използват широко в токоизправители за захранване (както полувълнови, така и пълновълнови) за преобразуване на AC в DC.Техният нисък спад на напрежението минимизира загубата на мощност и подобрява ефективността, особено при захранвания с превключващ режим.

Затягащи вериги

В схемите за затягане на напрежението диодите на Шотки ограничават или „затягат“ напрежението до безопасно ниво, предпазвайки чувствителните компоненти от пикове на напрежението.Тяхното бързо време за реакция гарантира точно ограничаване на напрежението.

Превключващи вериги

Тъй като диодите на Шотки могат да се включват и изключват за наносекунди, те са идеални за високоскоростни логически и цифрови превключващи вериги, като превключване на транзистори и приложения за маршрутизиране на сигнали.

Вериги за защита от обратен ток

Диодите на Шотки се използват за предотвратяване на обратното протичане на ток в устройства, захранвани от батерии, слънчеви панели и преобразуватели на постоянен ток.Техният нисък спад на напрежението минимизира загубата на мощност в сравнение със стандартните диоди.

RF и микровълнови вериги

В RF (радиочестотни) и микровълнови системи диодите на Шотки функционират като детектори, миксери и честотни умножители поради техния нисък капацитет и бърз отговор на високочестотни сигнали.

Вериги за изрязване на напрежението

Използвани за оформяне или ограничаване на вълнови форми, диодите на Шотки изрязват пиковете на сигнала, за да предотвратят изкривяване или да предпазят веригите от условия на пренапрежение.

Логически схеми (TTL и CMOS)

Диодите на Шотки са вградени във вериги Шотки транзистор-транзисторна логика (TTL), за да предотвратят насищането на транзистора, което позволява по-бързо превключване и намалено забавяне на разпространението.

Захранващи вериги ИЛИ

В системи с множество източници на захранване диодите на Шотки гарантират, че само един източник захранва товара в даден момент.Техният нисък спад на напрежението напред помага да се поддържа стабилен изход без значителна загуба на напрежение.

Диод на Шотки срещу диод на PN преход

Параметър	Шотки Диод	P–N Съединителен диод
Тип кръстовище	Преход метал-полупроводник	P-тип и N-тип полупроводници кръстовище
Носители на заряд	Основни носители (електрони само)	И мнозинство, и малцинство носители
Право падане на напрежението (Vf)	Ниско, обикновено 0,2 V – 0,3 V	По-високо, около 0,6 V – 0,7 V
Скорост на превключване	Много бързо поради липса на такса съхранение	По-бавно поради миноритарен носител съхранение
Обратно време за възстановяване	Изключително кратък	Сравнително по-дълго
Обратен ток на утечка	По-висок ток на утечка	По-нисък ток на утечка
Обратно напрежение на пробив	Сравнително ниско (20 V – 200 V)	Може да достигне до хиляди волта
Температурна стабилност	Изтичането се увеличава бързо с температура	По-стабилен при температура вариации
Енергийна ефективност	Високо поради ниско напрежение	Умерено поради по-високо напрежение капка
Използван материал	Метал с N-тип полупроводник	P-тип и N-тип полупроводници

Заключение

Диодът на Шотки се отличава със своята висока ефективност, бърза реакция и прост дизайн.Въпреки че има някои ограничения, като по-високо утечка и ниско обратно напрежение, предимствата му го правят идеален за приложения с висока скорост и ниска мощност.Като цяло, той остава важен компонент в днешните електронни и енергийни системи.